Интегрированный комплекс навигации и управления движением для автономных необитаемых подводных аппаратов

Интегрированный комплекс навигации и управления движением для автономных необитаемых подводных аппаратов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области технических средств судовождения, предназначенных для автоматической проводки судна по заданному курсу, оси фарватера (судового хода) или по заданной траектории движения, преимущественно автономных необитаемых подводных аппаратов, при их использовании в арктических морях.

Известны технические средства судовождения, предназначенные для автоматической проводки судна по заданному курсу, оси фарватера (судового хода) или по заданной траектории движения (патенты RU №2224279 С1, 20.02.2004 [1], RU №2207585 С2, 27.06.2003 [2], RU №2260191 С1, 10.09.2005 [3], US №5523951 A, 04.06.1996 [4], US №5179385 A, 12.01.1993 [5], US №4513378 A, 23.04.1985 [6], RU №2410282 [7]), которые могут быть использованы при проектировании адаптивных авторулевых на судах различных классов. При этом устройства содержат приемоиндикатор спутниковых навигационных систем, электронную картографическую навигационно-информационную систему, авторулевой гирокомпас, рулевую машину.

В состав устройства [7], в отличие от устройств [1-6], дополнительно введен адаптивный вычислитель бокового отклонения судна от заданной траектории движения, что позволяет осуществить автоматизированное определение и учет допустимого бокового отклонения судна от заданной траектории.

Однако известные устройства [1-7] в основном предназначены для их использования на надводных судах, когда обеспечивается бесперебойный ввод в вычислительное устройство значений обсервованных координат, получаемых от спутниковых и радионавигационных систем.

В настоящее время для проведения глубоководных работ и океанографических исследований создаются и используются разнообразные робототехнические средства, включая автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), эффективные в особенности при работе на больших глубинах, подо льдом, в других экстремальных условиях подводной среды. В ряде стран создано значительное число аппаратов данного типа, предназначенных для поиска объектов, съемки рельефа дна, геологоразведки, научных исследований и решения широкого круга прикладных задач.

В навигационном оснащении современных АНПА используются элементы бортовой автономной гидроакустической и спутниковой систем навигации (Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики / Ю.В.Ваулин, А.В.Инзарцев, А.В.Каморный и др. // Подводные исследования и робототехника. Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток, №1(5), 2008, с.24-31[8]).

Гидроакустический комплекс навигации и связи [8] включает в себя систему с длинной базой (ГАНС-ДБ), систему с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ), систему связи (ГАСС), работающую в режимах телеуправления и телеметрии, системы дальнего и ближнего приведения. В состав всего комплекса входят приемопередающие устройства на аппарате, буксируемый гидроакустический модуль со всем необходимым комплексом антенн и навигационных датчиков, выставляемый с борта обеспечивающего судна, комплект донных приемоответчиков ГАНС-ДБ. Географическая привязка всего пространственно распределенного комплекса обеспечивается с помощью приемников спутниковой навигации, а для экстренной связи и телеуправления, когда аппарат находится на поверхности воды, используются радиомодемы.

В состав бортовой автономной навигационной системы (БАНС) входят инерциальная навигационная система (ИНС), эхолокационная система (ЭЛС), приемник GPS, навигационно-пилотажные датчики (глубиномер, магнитный и гироскопический компасы, датчики крена и дифферента, измерители относительной и абсолютной скорости - вертушечный и доплеровский лаги (ВЛ, ДЛ), датчики угловых скоростей). В зависимости от конфигурации БАНС доставляемая измерителями информация используется для повышения надежности и точности работы системы. Собственно БАНС представляет собой распределенный модуль, который образуют система счисления пути, ИНС и приемник GPS, работающие под управлением локальной вычислительной сети. Автономные навигационные средства в таком составе способны обеспечить осуществление программных миссий и накопление информации о состоянии аппарата в процессе движения.

При этом используются следующие варианты комплексирования и коррекции навигационной информации на борту АНПА:

- коррекция ИНС (в полной конфигурации или в режиме гирокомпаса) от ДЛ (вблизи дна) и СНС (на поверхности моря);

- взаимная коррекция гироскопического и магнитного компасов в различных режимах работы АНПА;

- интегральная обработка информации БАНС и бортового приемника ГАНС-ДБ (УКБ);

- коррекция БАНС по гидроакустическому каналу связи и телеуправления с использованием данных ГАНС и СНС.

Определение координат (как локальных, так и абсолютных) в автономной системе производится методом счисления пути.

ИНС представляет собой оптоволоконный гирокомпас «Octans 111» французской фирмы IXSEA или механическую ИНС на базе динамически настраиваемых гироскопов.

Эхолокационная система включает гидролокатор бокового обзора низкой и высокой частоты, акустический профилограф, датчик глубины. Кроме того, измерительная аппаратура включает измерители температуры и электропроводности морской среды, данные от которых используются для вычисления скорости звука, а также средства фотосъемки морского дна.

Определение координат (как локальных, так и абсолютных) в известной системе производится методом счисления пути. Для этого используются данные измерения вектора скорости, полученные с помощью относительного или абсолютного лага. Составляющие вектора скорости V=(V_x,V_y) относительно выбранной неподвижной системы координат в этих случаях имеют вид:

где V^отн - скорость относительно потока, - осредненные значения продольной и поперечной составляющих скорости, измеряемые доплеровским лагом, ψ, φ - дифферент и курс, измеряемые с помощью ИНС.

Известный бортовой навигационный комплекс АНПА выполнен в двух конфигурациях, отличающихся типом используемой ИНС. В одной из конфигураций в качестве ИНС используется оптоволоконный гирокомпас «Octans III» французской фирмы iXSEA, в другой - механическая ИНС на базе динамически настраиваемых гироскопов разработки ОАО «НПО Электромеханики» (г.Миасс). В данной системе программным путем обеспечивается коррекция скорости с использованием измерений, поступающих от гидроакустического доплеровского лага. Для совместной обработки данных от внутренних источников (гироскопов, акселерометров) и внешних источников (ДЛ, приемника GPS) используется фильтр Калмана.

При работе АНПА в ограниченном районе или в режиме сопровождения обеспечивающего судна коррекцию автономных координат осуществляют путем совместной обработки информации БАНС и ГАНС или путем передачи по гидроакустическому каналу связи навигационных данных на аппарат наряду с данными телеметрии и командами телеуправления.

Задача БАНС сводится к измерению курса и скорости, вычислению по этим данным проекций скорости на координатные оси и их интегрированию для определения координат. Если используется относительный лаг, то при вычислении учитываются имеющиеся данные о течении (V_Tx, V_Ty). Функционирование известной системы может быть описано соотношениями:

где Х_с, Y_c - координаты, счисленные с помощью БАНС, X(t₀), Y(t₀) - начальные координаты, вводимые перед пуском АНПА.

Оценки дальностей ri (i=1…n) от аппарата до приемоответчиков с координатами (X., Y.) и оценки координат аппарата (X_r, Y_r), которые могут быть получены с помощью ГАНС, связаны уравнениями:

Оценки координат аппарата (Х_с, Y_c), определенные автономной системой, и оценки координат (X_r, Y_r), полученные посредством ГАНС, используются комплексной навигационной системой (КНС) для улучшения результирующих оценок координат (X, Y). Коррекция координат в КНС осуществляется циклически с интервалом обновления данных, равным периоду гидроакустических посылок (откликов).

Вычислительная модель алгоритма КНС содержит следующие программные блоки:

- счисление координат на основе данных от навигационно-пилотажных датчиков;

- селектирование откликов от гидроакустических приемоответчиков;

- вычисление «гидроакустических» координат на основе дальномерной информации;

- коррекция координат и оценка скорости течения.

Входными параметрами системы являются курс от гироскопического или магнитного компасов, дифферент, относительная или абсолютная скорости, предварительная оценка составляющих скорости течения (при использовании относительного лага). Выходными параметрами являются пройденный за цикл путь (dx, dy) и координаты Х_с, Y_c.

Процесс предварительной обработки сигналов от приемоответчиков ГАНС обеспечивает фильтрацию (селектирование) ложных сигналов, вызванных многолучевостью, и формирование дистанций r_ki для последующей процедуры вычисления координат X_r, Y_r. Обработка сигналов производится с учетом предыстории, т.е. накопленной за предыдущие циклы дальномерной информации. Преимущество алгоритма обработки сигналов на борту АНПА по сравнению с аналогичной процедурой на борту обеспечивающего судна заключается в том, что на АНПА используется информация о текущих счисленных координатах аппарата, на основе которой вычисляются ожидаемые времена откликов t_oik, где к - это номер шага, i=1…3 - номер приемоответчика. На основе измеренных дистанций r_ik вычисляются координаты Х_r, Y_r.

Для коррекции координат формируется итерационный цикл:

X_k->Xc_k, Y_k->Yc_k,

где dt - период работы ГАНС, К₁, К₂ - параметры коррекции.

Оценки составляющих скорости течения У_тхк; V_тук используются при вычислении координат Х_с, Y_c, в периоды между циклами коррекции.

Приведенные варианты комплексирования и оценки точности систем проверялись при многократных натурных испытаниях в условиях мелкого и глубокого моря.

Испытания навигационного комплекса проводились в составе АНПА типа «МТ-98» при траекторных измерениях в условиях полигона в одной из бухт залива Петра Великого. В течение 12-часового пуска АНПА выполнял обзорную гидролокационную съемку заданного района и по завершении программы всплыл и произвел GPS обсервацию. Рассогласование координат, счисленных по данным индукционного (магнитного) компаса типа ИД-6, доплеровского лага и скорректированных по отсчетам ГАНС-ДБ, с координатами, полученными от GPS в точке всплытия, составило 35 м.

При 17-часовом пуске АНПА с определением его координат средствами ГАНС, БАНС и GPS в зоне действия трех маяков-приемоответчиков ГАНС со счислением координат по данным гирокомпаса и вертушечного лага позволили свести ошибку счисления БАНС до соответствующего уровня ГАНС-ДБ (15 м).

Также в период испытаний было установлено, что для работы в открытой воде и в условиях умеренных широт АНПА оснащен гидроакустическими средствами навигации и управления, применение которых на Севере в штатных режимах ограничивалось рядом обстоятельств.

Гидроакустическая навигационная система с ультракороткой базой, работа которой не требует постановки маяков-ответчиков, в штатном составе оснащена магнитным датчиком курса, который в полярных широтах дает большую погрешность. Постановка в районе работ донных гидроакустических маяков-ответчиков, возвращаемых или разовых, и развертывание ГАНС с длинной базой в штатном режиме неэффективны из-за дрейфа ледового поля. При значительном удалении приводящей акустической антенны, дрейфующей вместе с судном, резко ухудшаются условия гидроакустического контроля и управления работой с борта носителя. Постановка поверхностных маяков ГАНС ДБ также имеет свои недостатки. Во-первых, для определения текущих координат каждого маяка требуется включение в их состав приемника спутниковой навигации, средств передачи координат в пост управления и ввод этих данных для решения навигационной задачи. Во-вторых, для обеспечения нормальной работы маяков с учетом характера вертикального распределения скорости звука в арктических широтах необходимо устанавливать маяки на глубинах не менее 250-300 м. Размеры полыньи и соответственно измерительной базы маяков ограничены. При этом неучитываемое смещение маяков, устанавливаемых на гибких фалах, приводит к появлению значительных ошибок и сбоев в работе навигации.

При использовании АНПА в высоких широтах были использованы гирогоризонткомпас типа «Octans» и гидроакустический доплеровский лаг. В итоге для навигационного сопровождения АНПА была реализована следующая схема.

По контуру полыньи, выбранной для пуска и всплытия АНПА, устанавливались три маяка-ответчика ГАНС ДБ с максимально возможными дистанциями между ними. Координаты маяков определялись в момент их постановки и непосредственно перед стартом АНПА, а затем вводились в навигационную программу судового комплекса в качестве постоянных данных. Положения маяков периодически уточнялись, и обновленные данные далее использовались для расчетов. Текущее положение судна и соответственно выставляемой судовой антенны определялось штатным приемником спутниковой навигации. С учетом получаемых данных определялся текущий дрейф ледового поля и оценивалось положение измерительной базы маяков.

Фиксировались координаты стартовой точки АНПА на поверхности. Далее по данным ГАНС ДБ определялись координаты точки старта АНПА у дна и соответственно точки начала координат работы бортовой навигационной системы. При выполнении исследовательских работ текущая траектория движения АНПА счислялась по данным бортовых датчиков абсолютной скорости, курса, глубины, крена, дифферента.

По данным телеметрии, передаваемой с борта АНПА по гидроакустическому каналу связи, выполнялось счисление траектории движения АНПА в реальном времени на борту обеспечивающего судна. На навигационном планшете параллельно отображались траектория дрейфа судна с базой маяков и траектория движения АНПА относительно дрейфующей базы маяков. Накапливаемая ошибка системы счисления корректировалась по ряду дискретных точек, в которых расчет местоположения АНПА производился по данным ГАНС ДБ с использованием уточненных координат маяков.

После завершения исследовательских работ АНПА выполнял процедуру автоматического выхода на судовой гидроакустический антенный модуль. Наведение осуществлялось при расположении антенного модуля значительно выше АНПА (рабочая глубина антенны составляла 400 м, а АНПА - около 1600 м, наклонная дальность - более 5 км). В таких условиях производилось трехэтапное приведение АНПА к антенне.

На первом этапе АНПА двигался к приводящей антенне, находясь у дна. При таком движении условия приема акустических сигналов изменялись постепенно и незначительно. Во-вторых, движение у дна позволяло использовать доплеровский лаг. При этом счисление производилось с большей точностью, а время поисковых движений - сокращалось. На втором этапе при выходе аппарата на траверс антенны производилось спиралеобразное всплытие аппарата на глубину 50 м. Одновременно на эту же глубину поднималась приводящая антенна. Затем производилось наведение аппарата на антенну на горизонте 50 м. При попадании аппарата в окрестность антенны осуществлялся переход на ручное наведение с использованием акустического канала телеуправления.

На заключительной фазе приведения перед всплытием положение АНПА в полынье контролировалось по данным о дальностях аппарата от антенного модуля и каждого маяка. Команды на завершающие процедуры всплытия (подъем с глубины 20 м, а затем с глубины 5 м) подавались при получении минимальной дальности до судовой антенны (не более 20-25 м) и нахождении АНПА в центре полыньи (определяемом по дальностям АНПА от маяков), что позволило определять текущее положение АНПА, управлять им, контролировать ход выполнения миссии и обеспечивать точный выход аппарата в полынью для всплытия. На заключительной фазе всплытия АНПА после 22 часов автономной работы был обеспечен контроль прямой дальности АНПА от судовой антенны и установленных маяков. Ошибка измерения дальности в этот момент не превышала 10 м, а при выходе на поверхность АНПА находился в 10-15 м от борта носителя и 20-30 м от судовой антенны.

На основании анализа полученных данных была выполнена оценка точности навигационной привязки. В ходе запуска в течение 22 часов суммарная нескорректированная ошибка бортовой навигационной системы, определенная как расхождение координат точки всплытия, счисленных бортовой навигационной системой, и координат, полученных при обсервации GPS, составила 1370 м или около 60 м/ч. Эта ошибка была накоплена и формировалась за счет следующих источников:

- ошибки определения географических координат для стартовой точки начала исследовательских работ на дне. При этом координаты точки старта на поверхности устанавливались достаточно точно, но при погружении (около 50 мин) АНПА его положение контролировалось ГАНС, использующей дрейфующую базу маяков. Расчетное положение стартовой точки по данным ГАНС корректировалось путем компенсации дрейфа базы маяков с ошибкой около 50 м;

- ошибки бортовой навигационной системы при счислении пути. По данным экспериментов, проведенных во время отладки системы, суммарная ошибка счисления не превышала 1% от пройденного пути, что составляет при скорости 1 м/с не более 50 м/ч;

- ошибки счисления пути при всплытии АНПА и во время приведения на глубинах, исключающих возможность работы доплеровского лага. При этом данные о скорости аппарата вырабатывались относительным лагом, точность которого существенно ниже точности доплеровского лага. Общая продолжительность работы системы счисления в режиме приведения была не менее 3 часов, что также сказалось на величине суммарной ошибки.

Основными недостатками известного интегрированного комплекса навигации и управления движением являются следующие технические решения.

Использование буксируемого антенного модуля с приемопередающими блоками системы связи и телеуправления, приемопередающими блоками системы ГАНС ДБ, приемными блоками системы ГАНС УКБ, что требует его стабилизации при воздействии на него внешних условий, а также наличие водного пространства, свободного ото льда.

При реализации инерциального счисления используют ИНС полуаналитического типа на поплавковых гироскопах. При этом в состав ИНС входят гироскопические системы, обеспечивающие стабилизацию платформ и измерение широты, и акселерометры, измеряющие ускорения АНПА в трех плоскостях.

При этом, наличие чувствительных элементов этих двух типов и использование относительного лага в качестве демпфирующего элемента приводит к возникновению погрешностей выработки координат со сложной структурой (В.А.Михальский, В.А.Катенин. Метрология в кораблевождении и решение задач навигации. СПб., «Элмор», 2009, с.156.). Погрешности выработки широты (и курса инерциального) по характеру их проявления складываются из суточной, шулеровской, случайной составляющих и погрешности, обусловленной воздействием подводных течений. В канале выработки долготы (и курса гироазимутального) к этим составляющим добавляется уход (тренд) долготы с почти постоянной скоростью на текущем интервале времени между коррекциями координат по данным СНС или ГАНС. В процессе коррекции в навигационном модуле рассчитываются и вводятся в ИНС поправки координат и поправка на скорость постоянного ухода долготы. При этом существенные соотношения погрешностей ИНС вынуждают применять сглаживание или фильтрацию случайной и шулеровской составляющих. Сглаживание на основе внутренней информации ИНС малоэффективно, поэтому реализуют фильтрацию с использованием дополнительной информации о скорости АНПА от относительного вертушечного лага (постоянно) или от абсолютного гидроакустического лага (периодически). В процессе фильтрации хорошо подавляются случайная и частично-шулеровская составляющие. Но взамен их к суточной и остаточной шулеровской погрешности добавляется нордовая составляющая сноса АНПА подводным течением. Это происходит за счет того, что демпфирование по относительной скорости приводит к частичной компенсации вместе со случайной погрешностью ИНС и скорости подводного течения, которая поэтому не полностью учитывается при расчете перемещения АНПА. В результате этого снос АНПА течением в той или иной мере входит в погрешность ИНС (В канале долготы в состав погрешностей вносится часть восточной составляющей сноса течением).

Кроме того, использование в качестве судна обеспечения надводного судна с буксируемым антенным модулем (приводным маяком) в ледовых условиях существенно ограничивает радиус действия АПНА наличием полыньи. Так как проведение сеанса связи возможно только при стоянке обеспечивающего судна на якоре. При этом обсервованные координаты посредством гидроакустической навигационной системы определяют по отношению к фиксированной точке (антенному модулю), размещенному на буксируемом средстве или на морском дне методом «крюйс-дальности», так как используется только один маяк-ответчик. Запрос и прием сигнала осуществляется в три различных момента времени из трех точек, в каждой из которых определяется наклонная дальность. При известной скорости АПНА по этим данным вычисляются координаты точки (φ₀, λ₀), в которой АПНА находится в момент времени t₂. Метод «крюйс-дальности» имеет невысокую точность, так как ошибка счисления при движении АПНА между тремя точками вносит дополнительную погрешность в определение координат. Кроме того, ввиду направленности система работает при относительно небольших углах крена и дифферента.

Использование трех донных маяков-ответчиков также не решает задачу определения координат по ГАНС, так как энергетический потенциал системы невелик, и с учетом ограниченной мощности сигналов от маяка-ответчика и шумов моря определение координат возможно на расстоянии до 10 км от маяков-ответчиков (Ю.А.Лукомский, В.Г.Пешехонов, Д.А.Скороходов. Навигация и управление движением судов. СПб. «Элор», 2002, с.106-107).

Кроме того, дискретный во времени характер поступления информации от навигационных спутников предполагает использование счисления между обсервациями, порождающего ошибки, которые превышают погрешность спутниковой навигационной системы. Относительно невысокая точность определения координат и достаточно длительное время навигационного определения оказываются неприемлемыми для приложений, таких как обеспечение позиционирования АНПА, выполнение детальной съемки морского дна на шельфе.

Также необходимо учитывать, что измеряемые и определяемые параметры отсчитываются в различных системах пространственных координат, измерения ведутся в системе навигационного искусственного спутника Земли (НИСЗ), в то время как результаты навигационных определений фиксируются в системах, связанных с Землей (с ее центром в геоцентрической системе или с ее поверхностными точками в топоцентрических системах). Поэтому необходимо приводить эти данные к единой системе отсчета или, иными словами, согласовывать начала отсчета пространственных координат. Ввиду того, что орбитальное движение НИСЗ возмущается рядом факторов (таких как нецентральность поля тяготения Земли, притяжение Солнца и Луны, давление солнечного света и т.д.), то начала отсчета расходятся непрерывно, поэтому согласование необходимо проводить в каждом навигационном сеансе, а для этого АНПА должен всплывать при наличии полыни во льдах, которой в период сеанса может не оказаться.

Кроме того, формируемые алгоритмы управления для рулевых устройств по данным навигационных средств не обеспечивают необходимое быстродействие (близкое к оптимальному) АНПА по глубине, дифференту и курсу с выполнением требований по стабилизации параметров при обеспечении точности съемки рельефа морского дна (2-5 м для районов с глубинами до 100 м).

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности определения координат АНПА и обеспечение стабилизации параметров АНПА по глубине, дифференту и курсу.

Поставленная задача решается за счет того, что в интегрированном комплексе навигации и управления движением автономного необитаемого подводного аппарата, включающем судовой пост управления движением автономного необитаемого подводного аппарата с блоком гидроакустического телеуправления, размещенный на обеспечивающем судне, при этом обеспечивающее судно оснащено приемником спутниковой навигационной системы, системой единого времени, судовой аппаратурой управления, обработки и отображения информации, автономный необитаемый подводный аппарат оснащен приемопередающими блоками гидроакустической системы навигации с длинной базой, системой гидроакустического телеуправления и связи, навигационно-пилотажными датчиками, локальной вычислительной сетью, гидроакустическим доплеровским лагом, гирокомпасом или/и инерциальной навигационной системой, приемником спутниковой навигационной системы, магнитным компасом, измерителем глубины, системой управления рулевыми механизмами, включающей вычислитель, а еще автономный необитаемый подводный аппарат оснащен аппаратурой для выполнения гидрологических исследований, включающей гидролокатор бокового обзора, профилограф, измерители температуры и электропроводности морской среды, фотокамеры, в систему управления рулевыми механизмами введены каналы выработки сигналов стабилизации крена, дифферента, глубины и курса, дополнительно введены многолучевой эхолот, циклический скоростемер, акустический доплеровский измеритель профиля течений, гидроакустический доплеровский лаг выполнен с возможностью работы по сигналам объемной реверберации, гидроакустическая система навигации с длинной базой содержит не менее восьми донных маяков-ответчиков, гирокомпас выполнен в виде корректируемого гирокомпаса, построенного на базе динамически настраиваемого гироскопа и кварцевых акселерометров, инерциальная навигационная система построена на основе прецизионного гироскопа с электростатическим подвесом ротора, обеспечивающее судно снабжено приемо-передающим блоком гидроакустической системы навигации с длиной базой.

Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что в систему управления рулевыми механизмами введены каналы выработки сигналов стабилизации крена, дифферента, глубины и курса, дополнительно введены многолучевой эхолот, циклический скоростемер, акустический доплеровский измеритель профиля течения, гидроакустический доплеровский лаг выполнен с возможностью работы по сигналам объемной реверберации, гидроакустическая система навигации с длинной базой содержит не менее восьми донных маяков-ответчиков, гирокомпас выполнен в виде корректируемого гирокомпаса, построенного на базе динамически настраиваемого гироскопа и кварцевых акселерометров, инерциальная навигационная система построена на основе прецизионного гироскопа с электростатическим подвесом ротора, обеспечивающее судно снабжено приемопередающим блоком гидроакустической системы навигации с длиной базой, позволяют исключить недостатки, присущие прототипу.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами (фиг.1…10).

Фиг.1. Структурная схема интегрированного комплекса навигации и управления движением автономного необитаемого подводного аппарата. 1 - обеспечивающее судно, снабженное постом 2 управления движением автономного необитаемого подводного аппарата с блоком гидроакустического телеуправления 3 и оснащенное приемником 4 спутниковой навигационной системы, системой единого времени 5, аппаратурой управления, обработки и отображения информации 6, приемо-передающим блоком 7 гидроакустической системы навигации с длиной базой, системой управления 8 АНПА, 9 - автономный необитаемый подводный аппарат, оснащенный приемопередающими блоками гидроакустической системы навигации 10 с длинной базой, системой гидроакустического телеуправления и связи 11, навигационно-пилотажными датчиками 12, локальной вычислительной сетью 13, гидроакустическим доплеровским лагом 14, гирокомпасом 15 или/и инерциальной навигационной системой 16, приемником 17 спутниковой навигационной системы, магнитным компасом 18, измерителем глубины 19, системой управления 20 рулевыми механизмами, включающей вычислитель 21, аппаратурой для выполнения гидрологических исследований 22, включающей гидролокатор бокового обзора 23, профилограф 24, измерители температуры 25 и электропроводности 26 морской среды, фотокамеры 27, акустический доплеровский измеритель течений 28, многолучевой эхолот 29, комплект 30 маяков-ответчиков 31 гидроакустической системы навигации с длинной базой, циклический скоростемер 32.

Фиг.2. Блок-схема поста управления движением автономного необитаемого подводного аппарата. Пост управления движением автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) включает пульт 33 управления глубиной при отсутствии скорости хода АНПА; прибор отображения информации 34 о рекомендованных значениях курса и глубины; указатель крена 35; указатель курса 36; указатель положения вертикального руля 37; указатель положения большого кормового горизонтального руля 38; указатель положения носового горизонтального руля 39; указатель положения малого кормового горизонтального руля 40; указатель глубины (0…60 м) 41; указатель глубины под килем 42; указатель дифферента 43; пульт управления движением 44 АНПА в нормальных режимах эксплуатации; пульт управления движением 45 АНПА в аварийных ситуациях, индикаторную панель 46 для отображения заданных и текущих навигационных параметров АНПА, картографической и топографической информации.

Фиг.3. Структурная схема системы управления, размещенная на АНПА. Структурная схема системы управления, размещенная на АНПА включает блок управления 47, блок усилителей 48, измеритель глубины 19, навигационно-пилотажные датчики 12, включающие измерители крена 49 и дифферента 50, приборы обратной связи 51 носового горизонтального руля, соединительные коробки 52, золотник 53 аварийного управления, золотник 54 управления, приборы обратной связи 55 вертикальных рулей, гидропривод 56 с краном манипулятором, приборы обратной связи 57 системы стабилизации без хода, гидравлический привод 58 вертикальных рулей 59, гидравлический привод 60 горизонтальных рулей 61, предсказатель 62, золотник 63 переключения, прибор обратной связи 64 кормового горизонтального руля 65, цистерны 66 стабилизации без хода.

Фиг.4. Схема рулевых устройств АНПА. 67, 68, 69 - стабилизаторы, 70, 71 - горизонтальный руль правого и левого бортов соответственно, 72, 73 - верхняя и нижняя секции вертикального руля соответственно, 74 - внутренние секции вертикального руля, 75 - закрылки горизонтальных рулей, 76, 77 - левый и правый носовые горизонтальные рули, соответственно.

Фиг.4а. Схема горизонтальных рулевых устройств.

Фиг.4б. Схема вертикальных рулевых устройств.

Фиг.4в. Схема носовых горизонтальных рулей.

Фиг.5. Функциональная схема системы управления движением. Позициями обозначены: АНПА-9, рули 78; датчики соответственно заданных значений дифферента 79, курса 80, глубины погружения 81, датчики обратной связи текущих значений глубины погружения 82, курса 83, дифферента 84, скорости 85, положения горизонтальных рулей 86, положения вертикальных рулей 87, суммирующее устройство 88, вычислитель 89, блок суммарного электрического сигнала управления 90, электрогидравлический преобразователь 91.

Фиг.6. Функциональная схема канала автоматического управления движением АНПА по курсу. АНПА-9, вертикальный руль 59, датчик заданного курса 80, датчики обратной связи текущих значений положения вертикальных рулей 87, курса 83, суммирующее устройство 88, вычислитель 89, блок суммарного электрического сигнала управления 90, электрогидравлический преобразователь 91.

Фиг.7. Функциональная схема вычислительного устройства скорости изменения курса. Блок формирования изменения курса вычислителя 89 включает суммирующее устройство 92, на которое подаются значения заданного и фактического курса, блок 93 формирования скорости изменения курса, блок 94 формирования суммарной ошибки, суммирующее устройство 95, блоки нелинейности 96 и 97, блок ограничения 98. Блок нелинейности 96 и блок ограничения 98 образуют линейный ограничитель 99.

Фиг.8. Функциональная схема канала автоматического управления АНПА по глубине. АНПА-9, схема ввода заданных значений дифферента и глубины погружения 100, суммирующее устройство 101, на которое поступают заданные и текущие значения дифферента и глубины погружения, микропроцессор 102, блок формирования суммарного сигнала управления 103, электрогидравлический преобразователь 104, горизонтальные рули 76 и 77.

Фиг.9. Функциональная схема вычислительного устройства канала управления АНПА по глубине. Суммирующее устройство 105, блоки нелинейности 106 и 107, выходной сумматор 108, включающий блоки нелинейности 109 и 110, блок формирования скорости изменения дифферента 111, блок формирования скорости изменения глубины 112, суммирующее устройство 113.

Фиг.10. Структурная схема циклического скоростемера. Циклический скоростемер представляет собой замкнутое через морскую воду 114 акустическое кольцо синхронизации, образованное двумя акустическими преобразователями 115 (излучающий преобразователь) и 116 (приемный преобразователь), усилителем 117 и импульсным генератором 118, запускаемым по сигналам с выхода усилителя 117. Частота следования импульсов в подобном кольце пропорциональна скорости звука в воде. В частотном дискриминаторе 119 эта частота следования сравнивается с частотой излучаемого гидроакустическими средствами (лага, или эхолота, или профилографа, или гидролокатора бокового обзора), который представляет собой гармонику сигнала в кольце. При изменении скорости звука в воде на выходе частотного дискриминатора 119 появляется управляющее напряжение того или иного знака, изменяющее соответствующим образом частоту излучаемого гидроакустическим средством сигнала. При этом автоматически поддерживается постоянной длина волны колебаний, излучаемых тем или иным гидроакустическим средством. Делитель частоты 120 соединен своим входом с выходом генератора 121, управляемого напряжением, который своим входом соединен с выходом частотного дискриминатора 119, а своим выходом соединен с усилителем мощности 122 излучаемого сигнала.

Пример реализации предлагаемого технического решения.

Автономный необитаемый подводный аппарат 9 оснащен приемопередающими блоками гидроакустической системы навигации 10 с длинной базой, системой гидроакустического телеуправления и связи 11, навигационно-пилотажными датчиками 12, локальной вычислительной сетью 13, гидроакустическим доплеровским лагом 14, гирокомпасом 15 или/и инерциальной навигационной системой 16, приемником 17 спутниковой навигационной системы, магнитным компасом 18, измерителем глубины 19, системой управления 20 рулевыми механизмами, включающей вычислитель 21, аппаратурой для выполнения гидрологических исследований 22, включающей гидролокатор бокового обзора 23, профилограф 24, измерители температуры 25 и электропроводности 26 морской среды, фотокамеры 27, акустический доплеровский измеритель течений 28, многолучевой эхолот 29, комплект 30 маяков-ответчиков 31 гидроакустической системы навигации с длинной базой, циклический скоростемер 32.

Навигационно-пилотажные датчики 12, гидроакустический доплеровский лаг 14, гирокомпас 15 или/и инерциальная навигационная система 16, приемник 17 спутниковой навигационной системы, магнитный компас 18, измеритель глубины 19, акустический доплеровский измеритель течений 28, многолучевой эхолот 29, бортовые приемопередатчики гидроакустической системы навигации с длинной базой и циклически