[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2463624C1 - Hydroacoustic navigation system - Google Patents

Hydroacoustic navigation system Download PDF

Info

Publication number
RU2463624C1
RU2463624C1 RU2011111037/28A RU2011111037A RU2463624C1 RU 2463624 C1 RU2463624 C1 RU 2463624C1 RU 2011111037/28 A RU2011111037/28 A RU 2011111037/28A RU 2011111037 A RU2011111037 A RU 2011111037A RU 2463624 C1 RU2463624 C1 RU 2463624C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
navigation
hydrophones
hydroacoustic
base
transponders
Prior art date
Application number
RU2011111037/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Жуков (RU)
Юрий Николаевич Жуков
Юрий Владимирович Румянцев (RU)
Юрий Владимирович Румянцев
Сергей Борисович Курсин (RU)
Сергей Борисович Курсин
Павел Григорьевич Бродский (RU)
Павел Григорьевич Бродский
Евгений Евгеньевич Павлюченко (RU)
Евгений Евгеньевич Павлюченко
Виктор Сергеевич Аносов (RU)
Виктор Сергеевич Аносов
Сергей Яковлевич Суконкин (RU)
Сергей Яковлевич Суконкин
Евгений Иванович Руденко (RU)
Евгений Иванович Руденко
Владимир Васильевич Чернявец (RU)
Владимир Васильевич Чернявец
Original Assignee
Юрий Николаевич Жуков
Юрий Владимирович Румянцев
Сергей Борисович Курсин
Павел Григорьевич Бродский
Евгений Евгеньевич Павлюченко
Виктор Сергеевич Аносов
Сергей Яковлевич Суконкин
Евгений Иванович Руденко
Владимир Васильевич Чернявец
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Николаевич Жуков, Юрий Владимирович Румянцев, Сергей Борисович Курсин, Павел Григорьевич Бродский, Евгений Евгеньевич Павлюченко, Виктор Сергеевич Аносов, Сергей Яковлевич Суконкин, Евгений Иванович Руденко, Владимир Васильевич Чернявец filed Critical Юрий Николаевич Жуков
Priority to RU2011111037/28A priority Critical patent/RU2463624C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2463624C1 publication Critical patent/RU2463624C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: hydroacoustic navigation system has a navigation base consisting of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transceiver. The receiving hydroacoustic antenna consists of four hydrophones mounted on a linear support arm which is perforated. Antennae of the receivers are mounted on a steel plate. At least one of the M hydroacoustic transponders is placed on the water surface. The receiving hydroacoustic antenna also includes nine hydrophones, with formation of receivers of two navigation bases with a common base centre. They lie in a plane which is parallel to the plane of the bottom of the underwater object, wherein the axis of one base X is directed along the axial line of the underwater object, and the axis of another base Y is directed on the beam to the right. Each navigation base is formed from seven hydrophones, one of which is common for both navigation bases, at equal distances from which there are two hydrophones which form a common central part of the navigation bases consisting of nine hydrophones, wherein the outermost hydrophones of each of the navigation bases are displaced from the common central part of the navigation base by a distance greater than the distance between the hydrophones which form the common central part of the navigation bases. The linear support arm is additionally fitted with a sensor for determining sound speed, a hydrodynamic pressure sensor and an inertial sensor. Each of the M hydroacoustic transponders consists of an underwater and a surface module connected by a conducting rope to sensors of the inclination and length of the corroded rope. The surface module is provided with a satellite radio communication channel.
EFFECT: reduced error in measuring coordinates of an underwater object.
4 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов повышенной дальности действия, например, работающих в ледовых условиях, затрудняющих доступ к ним обеспечивающего судна, и также может быть использовано при проведении сейсмических и геологоразведочных работ на морском дне.The invention relates to the field of sonar navigation systems and can be used for navigation support of underwater vehicles of increased range, for example, operating in ice conditions, making it difficult for the supply vessel to access them, and can also be used for seismic and geological exploration on the seabed.

Известная гидроакустическая синхронная навигационная система дальнего действия содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, размещенные на объекте навигации синхронизатор, М канальный приемник (М+1) измерителей времени распространения акустических сигналов, M·N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, М блоков выбора максимального значения дистанций, вычислитель координат объекта навигации, передатчик акустического сигнала частоты запроса, приемник синхронного дальномера-пеленгатора с акустическим входом для акустического сигнала частоты запроса f0. На объекте навигации размещены также (М+1) измеритель времени распространения, (М+1) блок преобразования временных интервалов в дистанции, (М+1) блок выбора максимального значения дистанции, измеритель пеленга и угла места. На обеспечивающем судне размещены второй синхронизатор, синхронизированный с первым, второй М канальный приемник с акустическим входом для ответных сигналов гидроакустических приемоответчиков, М модуляторов, М генераторов рабочих частот ответа и передатчик, выполненный М+1-канальным ([1] патент RU №2084923).The known long-range sonar synchronous navigation system contains a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies, a synchronizer located on the navigation object, an M channel receiver (M + 1) of acoustic signal propagation time meters, M · N blocks for converting time intervals in distance over the number N of possible ray paths, M blocks for selecting the maximum distance value, the coordinates calculator of the navigation object, the acoustic transmitter Igna request frequency receiver synchronous with EDM-direction finder for acoustic acoustic input signal frequency f 0 request. The navigation object also contains (M + 1) a propagation time meter, (M + 1) a unit for converting time intervals into distances, (M + 1) a unit for selecting the maximum distance value, a bearing and elevation meter. A second synchronizer, synchronized with the first, second M channel receiver with an acoustic input for response signals of hydroacoustic transponders, M modulators, M response frequency generators and a transmitter made by M + 1-channel ([1] patent RU No. 2084923) is placed on the supply vessel; .

Недостатком такой системы является большая погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в морской среде.The disadvantage of this system is the large error in determining the coordinates associated with the variability of the speed of sound in the marine environment.

Известная гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемников с различными частотами ответа, размещенных на объекте навигации, гидроакустический передатчик с частотой опроса, генератор синхроимпульсов, М-канальный приемник с акустическим входом для ответных сигналов, М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий и вычислитель координат объекта навигации. На объекте навигации размещены также шестиэлементный акустический приемник с акустическим входом для приема ответных сигналов, элементы которого образуют три взаимно ортогональные пары гидрофонов, разнесенных на расстояние, меньшее длины волны, второй М-канальный приемник, каждый канал которого содержит три пары усилителей, М измерителей разности фаз, М вычислителей дистанции и угла скольжения и блок задания инвариантной скорости. М блоков выбора луча ([2] патент RU №2084924).The well-known sonar synchronous rangefinder navigation system contains a bottom navigation base of M hydroacoustic receivers with different response frequencies located on the navigation object, a hydroacoustic transmitter with a polling frequency, a clock generator, an M-channel receiver with an acoustic input for response signals, M hydro-acoustic signal propagation time meters to the transponder operating on the frequency of this channel and vice versa, M × N blocks of conversion of time intervals into dist the number of N ray paths and a calculator of coordinates of the navigation object. The navigation object also houses a six-element acoustic receiver with an acoustic input for receiving response signals, the elements of which form three mutually orthogonal pairs of hydrophones spaced shorter than the wavelength, a second M-channel receiver, each channel of which contains three pairs of amplifiers, M difference meters phases, M distance and angle calculators and an invariant speed reference unit. M beam selection blocks ([2] Patent RU No. 2084924).

Недостатком такой системы является также большая погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в морской среде.A disadvantage of such a system is also a large error in determining the coordinates associated with the variability of the speed of sound in the marine environment.

Известная гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа fm (m=1-M), размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса fo, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами fm, М измерителей времени распространения акустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, первые входы которых соединены с выходами М-канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, и вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами блоков выбора максимального значения дистанции всех М каналов. Кроме того, в состав гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы введены вторая донная навигационная база из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения Fm (m=1-M), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащих М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов, М передатчиков с различными рабочими частотами Fm, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов, М гидроакустических излучателей с рабочими частотами Fm, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, размещенные на объекте навигации второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый выход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, буксируемая приемная акустическая антенна, второй М-канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом буксируемой приемной акустической антенны, М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М-канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом второго генератора синхроимпульсов, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены с вторыми входами вычислителя координат объекта навигации. М гидроакустических излучателей маяков-пингеров и буксируемая приемная акустическая антенна расположены вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах Fm. Дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые дистанции rm через измеренные времена распространения tm. Достигаемым техническим результатом является обеспечение определения координат объекта навигации на малых и больших расстояниях с минимальной погрешностью ([3] патент RU №2289149).The well-known long-range sonar synchronous long-range navigation system contains a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies f m (m = 1-M), a clock generator located on the navigation object, an acoustic transmitter with a polling frequency f o , the input of which is connected to the first the output of the clock generator, an M-channel receiver for receiving response signals with frequencies f m , M meters of propagation time of acoustic signals to the transponder, operating it at the frequency of this channel, and vice versa, the first inputs of which are connected to the outputs of the M-channel receiver, and the second inputs are connected to the second output of the clock generator, M × N blocks for converting time intervals to distances in the number N of possible ray paths, the inputs of which are connected to the outputs of the respective measuring instruments of propagation time, M blocks for selecting the maximum distance value, the inputs of which are connected to the outputs of N blocks for converting time intervals in the distance of a given channel, and the calculator INAT navigation object, a first input coupled to the outputs of the maximum value selection of the distance M channel blocks. In addition, a second bottom navigation base of M hydro-acoustic pinger beacons with different radiation frequencies F m (m = 1-M) mechanically connected to the corresponding M responder beacons containing M synchronously operating clock pulses was introduced into the hydroacoustic synchronous rangefinder navigation system , M transmitters with different operating frequencies F m , the inputs of which are connected to the outputs of the clock generators, M hydroacoustic emitters with operating frequencies F m , the inputs of which are connected to the output dams of transmitters with corresponding operating frequencies, located on the navigation object, a second clock generator operating synchronously with the clock generators of the pinger beacons, the first output of which is used to synchronize M synchronous clock generators of the sonar pinger beacons before they are installed on the bottom, a towed receiving acoustic antenna, the second M-channel receiver for receiving acoustic signals of pinger beacons, the input of which is connected to the output of the towed receiver an acoustic antenna, M meters of propagation time of acoustic signals from pinger beacons to a navigation object, the first inputs of which are connected to the outputs of the second M-channel receiver, and the second inputs are connected to the second output of the second clock generator, additional M blocks of conversion of time intervals to distances, inputs which are connected to the outputs of the M meters of the propagation time of acoustic signals from pinger beacons to the navigation object, and the outputs are connected to the second inputs of the computer ordinates of the navigation object. M sonar emitters of pinger beacons and a towed receiving acoustic antenna are located near the seabed at a distance of no more than a wavelength at operating frequencies F m . Additional M blocks for converting time intervals to distances calculate the desired distances r m through the measured propagation times t m . Achievable technical result is the provision of determining the coordinates of the navigation object at small and large distances with minimal error ([3] patent RU No. 2289149).

Однако, как и в известных устройствах, недостатком данной системы является сравнительно большая погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в морской среде и рельефом морского дна.However, as in the known devices, the disadvantage of this system is the relatively large error in determining the coordinates associated with the variability of the speed of sound in the marine environment and the topography of the seabed.

Известная гидроакустическая навигационная система (ГНС) содержит размещенные на дне акватории гидроакустические маяки-ответчики с известными координатами, а также установленную на борту судна приемоизлучающую и обрабатывающую результаты измерений аппаратуру, отличается тем, что в составе судовой приемоизлучающей аппаратуры передающий блок выполнен в виде передатчика командного сообщения (ПКС) для передачи маякам-ответчикам командного сообщения с использованием время-импульсной модуляции на частоте запроса, а каждый маяк-ответчик дополнительно включает устройство автономного управления для исполнения командного сообщения, переданного ПКС с судна луча ([4] патент RU №34020 U).The well-known sonar navigation system (HSS) contains hydroacoustic beacons-transponders located at the bottom of the water area with known coordinates, as well as receiver-emitting and processing equipment used on board the vessel, characterized in that the transmitting unit in the vessel’s receiver-emitting equipment is designed as a command message transmitter (PCS) for transmitting a command message to the responder beacons using time-pulse modulation at the request frequency, and each responder beacon For further comprises auxiliary control device for execution of the command message transmitted from the beam PKC vessel ([4] RU №34020 U patent).

Однако, как и в известных устройствах, недостатком данной системы является сравнительно большая погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в морской среде и рельефом морского дна.However, as in the known devices, the disadvantage of this system is the relatively large error in determining the coordinates associated with the variability of the speed of sound in the marine environment and the topography of the seabed.

Известная гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа fm(m=1-M), размещенный на объекте навигации гидроакустический передатчик с частотой опроса fo, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник с акустическим входом для ответных сигналов, выполненный M·N-канальным по числу M·N рабочих частот ответа fmn, M измерителей времени распространения гидроакустических сигналов от объекта навигации до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, выполненный M·N-канальным, M·N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, и вычислитель координат объекта навигации, на гидроакустических приемоответчиках размещены М идентичных вертикально ориентированных приемных антенн, каждая из которых состоит из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N+1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длины волны на частоте опроса fo. Размещенные на гидроакустических приемоответчиках акустические передатчики выполнены N-частотными с частотами ответа fmn. На объекте навигации размещена вертикально ориентированная приемная антенна, состоящая из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N-1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длины волны на верхней частоте fmn рабочего диапазона частот. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения координат ([5] патент RU №2158431).The well-known sonar synchronous rangefinder navigation system contains a bottom navigation base of M sonar transponders with different response frequencies f m (m = 1-M), a sonar transmitter with a sampling frequency f o located at the navigation object, the input of which is connected to the first output of the clock generator, M -channel receiver with an acoustic input for response signals, made by M · N-channel in terms of the number M · N of working response frequencies f mn , M meters of propagation time of hydroacoustic signals about t of the navigation object to the transponder operating on the frequency of this channel and vice versa, made by M · N-channel, M · N blocks for converting time intervals to distances in the number N of radial paths, the inputs of which are connected to the outputs of the corresponding propagation time meters, and the object coordinate calculator navigation, on hydroacoustic transponders placed M identical vertically oriented receiving antennas, each of which consists of M pairs of antiphase excited groups of 2N + 1 hydrophones, the distance is waiting for which is equal to half the wavelength at the polling frequency f o . Acoustic transmitters located on hydroacoustic transponders are made N-frequency with response frequencies f mn . A vertically oriented receiving antenna is located at the navigation object, consisting of M pairs of antiphase-excited groups of 2N-1 hydrophones, the distance between which is equal to half the wavelength at the upper frequency f mn of the operating frequency range. The technical result consists in reducing the error of measurement of coordinates ([5] patent RU No. 2158431).

Недостатком такой системы является большая погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в морской воде. При этом погрешность определения дистанции и координат существенно возрастает при работе в мелком море, когда временные задержки между отдельными лучами уменьшаются, а сами лучи невозможно идентифицировать и выделить отдельно. Кроме того, алгоритм определения координат, заключающийся в том, что координаты определяют по найденным временам, известному профилю скорости звука на акватории мелкого моря и горизонтам излучения-приема, соответствующим объекту навигации и гидроакустическому приемоответчику, в блоке преобразования временных интервалов в дистанции определяются горизонтальные расстояния, соответствующие первому приближению к искомому расстоянию, и уточненные значения углов скольжения на горизонтах получения-приема, по которым найденные времена снова определяются во втором приближении, не является оптимальным, так как известный профиль звука для акватории является средним значением, полученным по многолетним наблюдениям, а для некоторых акваторий и не установленным, что может вносить дополнительную погрешность в определение координат.The disadvantage of this system is the large error in determining the coordinates associated with the variability of the speed of sound in sea water. Moreover, the error in determining the distance and coordinates increases significantly when working in the shallow sea, when the time delays between the individual rays are reduced, and the rays themselves cannot be identified and identified separately. In addition, the coordinate determination algorithm, consisting in the fact that the coordinates are determined by the found times, the known profile of the speed of sound in the shallow sea and the radiation-reception horizons corresponding to the navigation object and the hydroacoustic transponder, horizontal distances are determined in the time interval conversion unit, corresponding to the first approximation to the desired distance, and the specified values of the glide angles at the receiving-receiving horizons, according to which the found times are clear VAs are determined in the second approximation, it is not optimal, since the known sound profile for the water area is the average value obtained from long-term observations, and not established for some water areas, which may introduce an additional error in the determination of coordinates.

Известна также гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система, которая содержит донную навигационного базу из М гидроакустических приемоответчиков и размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, первый М-канальный приемник, М измерителей времени распространения акустических сигналов до приемоответчика и обратно, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий, комбинированный акустический приемник на основе трехкомпонентного приемника колебательной скорости и приемника звукового давления с совмещенным фазовым центром, второй М-канальный приемник, каждый канал которого выполнен из четырех субканалов, М вычислителей дистанции и угла скольжения, блок задания инвариантной скорости, М блоков выбора луча, N блоков преобразования временных интервалов в дистанции, вычислитель координат объекта навигации по критерию минимума погрешности, блок определения взаимных пеленгов, М блоков коррекции дистанций, соединенные определенным образом. Техническим результатом является уменьшение погрешности при определении координат объекта навигации ([6] патент RU №2308454).A hydroacoustic synchronous rangefinder navigation system is also known, which contains a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders and a hydroacoustic transmitter, a clock generator, a first M-channel receiver, M meters of the propagation time of acoustic signals to and from the transponder, M × N conversion blocks time intervals in the distance according to the number of N ray paths, a combined acoustic receiver based on a three-component pr a vibrational receiver and a sound pressure receiver with a combined phase center, a second M-channel receiver, each channel of which is made of four subchannels, M distance and glide angle calculators, an invariant speed task unit, M beam selection units, N time-domain distance conversion blocks , a calculator of coordinates of the navigation object according to the criterion of minimum error, a unit for determining mutual bearings, M blocks for correcting distances, connected in a certain way. The technical result is to reduce the error in determining the coordinates of the navigation object ([6] patent RU No. 2308454).

Недостатком указанной навигационной системы является сравнительно большая неоднозначность выявления наикратчайшей лучевой траектории и в конечном итоге существенная погрешность определения координат.The disadvantage of this navigation system is the relatively large ambiguity in identifying the shortest radial path and, ultimately, a significant error in determining the coordinates.

Известна также гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия, которая содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа fm (m=1-M), размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса fo, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами fm, М измерителей времени распространения акустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, первые входы которых соединены с выходами М-канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, и вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами блоков выбора максимального значения дистанции всех М каналов. Кроме того, в состав гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы введены вторая донная навигационная база из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения Fm (m=1-М), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащих М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов, М передатчиков с различными рабочими частотами Fm, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов, М гидроакустических излучателей с рабочими частотами Fm, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, размещенные на объекте навигации второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый выход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, буксируемая приемная акустическая антенна, второй М-канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом буксируемой приемной акустической антенны, М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М-канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом второго генератора синхроимпульсов, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены с вторыми входами вычислителя координат объекта навигации. М гидроакустических излучателей маяков-пингеров и буксируемая приемная акустическая антенна расположены вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах Fm. Дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые дистанции rm через измеренные времена распространения tm. Достигаемым техническим результатом является обеспечение определения координат объекта навигации на малых и больших расстояниях (патент RU №2038127 [7]). Недостатком указанной навигационной системы является относительно малая дальность действия при работе объекта навигации вблизи дна и при использовании донных маяков-ответчиков, которая связана с эффектами рефракции звука вблизи дна, а также наличие механических связей между маяками-пингерами и маяками-ответчиками, что создает дополнительные акустические шумы.A long-range hydroacoustic synchronous long-range navigation system is also known, which contains a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies f m (m = 1-M), a clock generator, an acoustic transmitter with a polling frequency f o , whose input connected to the first output of the generator clock, the M-channel receiver for receiving response signals with frequencies f m, M gauges propagation time of the acoustic signals to priemootvet an operating frequency of this channel and vice versa, the first inputs of which are connected to the outputs of the M-channel receiver, and the second inputs are connected to the second output of the clock generator, M × N blocks for converting time intervals to distances in the number N of possible ray paths, the inputs of which are connected with the outputs of the respective meters of propagation time, M blocks for selecting the maximum distance value, the inputs of which are connected to the outputs of N blocks for converting time intervals in the distance of this channel, and subtracting a coordinate remover of the navigation object, the first input of which is connected to the outputs of the blocks for selecting the maximum distance value of all M channels. In addition, a second bottom navigation base of M hydroacoustic pinger beacons with different radiation frequencies F m (m = 1-M) mechanically connected to the corresponding M beacon transponders containing M synchronously operating clock pulses was introduced into the hydroacoustic synchronous rangefinder navigation system M transmitters with various operating frequencies F m, whose inputs are connected to outputs of clock generators, M sonar emitters with operating frequencies F m, which are connected with the inputs O dams of transmitters with corresponding operating frequencies, located on the navigation object, a second clock generator operating synchronously with the clock generators of the pinger beacons, the first output of which is used to synchronize M synchronous clock generators of the sonar pinger beacons before they are installed on the bottom, a towed receiving acoustic antenna, the second M-channel receiver for receiving acoustic signals of pinger beacons, the input of which is connected to the output of the towed receiver acoustic antenna, M meters of propagation time of acoustic signals from pinger beacons to the navigation object, the first inputs of which are connected to the outputs of the second M-channel receiver, and the second inputs are connected to the second output of the second clock generator, additional M blocks of conversion of time intervals to distances, the inputs of which are connected to the outputs of the M meters of the propagation time of acoustic signals from pinger beacons to the navigation object, and the outputs are connected to the second inputs of the calculator to ordinates navigation object. M hydro-acoustic emitters of pinger beacons and a towed receiving acoustic antenna are located near the seabed at a distance of no more than a wavelength at operating frequencies F m . Additional M blocks for converting time intervals to distances calculate the desired distances r m through the measured propagation times t m . Achievable technical result is the provision of determining the coordinates of the navigation object at small and large distances (patent RU No. 2038127 [7]). The disadvantage of this navigation system is the relatively short range when operating the navigation object near the bottom and when using bottom responders, which is associated with the effects of refraction of sound near the bottom, as well as the presence of mechanical connections between pinger beacons and responder beacons, which creates additional acoustic noises.

Известна, также гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система ([8] авторское свидетельство SU №713278), которая включает донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, М-канальный приемник, М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчиков и обратно, М·N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по N в каждом из каналов из М, М блоков выбора максимального значения дистанции из N значений и вычислитель координат объекта навигации, в котором каждый из М каналов введены по числу лучевых траекторий N-1 дополнительных измерителей времени распространения гидроакустических сигналов, N-1 мультивибраторов задержки, N-1 мультивибраторов строб - импульса, N-1 селекторов, причем первые входы N-1 измерителей распространения соединены с выходом генератора синхроимпульсов, вторые входы соединены с первыми выходами соответствующих селекторов, а выходы соединены с М·N входами блока преобразования временных интервалов в дистанции, первый вход каждого из селекторов соединен с выходом соответствующего мультивибратора строб - импульса, второй вход соединен с выходом соответствующего канала приемника, вход первого мультивибратора задержки соединен с выходом соответствующего канала приемника, а выход каждого последующего мультивибратора задержки соединен с вторым выходом соответствующего селектора, в каждый из М каналов введена N(N-1) дополнительных блоков преобразования временных интервалов в дистанции, N-1 дополнительных блоков выбора максимального значения дистанции и усреднитель дистанции, причем входы каждого из N-1 наборов по N блоков преобразования временных интервалов в дистанции соединены с соответствующими выходами N-1 дополнительных измерителей временных интервалов, а выходы соединены с входами N-1 дополнительных блоков выбора максимального значения, выходы всех блоков выбора максимального значения дистанции соединены с N входами усреднителя дистанций, а выход усреднителя дистанций соединен с входом вычислителя координат объекта навигации.Also known is the hydroacoustic synchronous rangefinder navigation system ([8] copyright certificate SU No. 713278), which includes a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transmitter, a clock generator, M-channel receiver, M meters, located on the navigation object the propagation time of hydroacoustic signals to transponders and vice versa, M · N blocks for converting time intervals to a distance of N in each of the channels from M, M block in choosing the maximum distance value from N values and the coordinates calculator of the navigation object, in which each of the M channels is entered according to the number of ray paths N-1 additional measuring instruments for the propagation time of hydroacoustic signals, N-1 multivibrators delay, N-1 multivibrators strobe - pulse, N -1 selectors, the first inputs of N-1 propagation meters connected to the output of the clock generator, the second inputs connected to the first outputs of the respective selectors, and the outputs connected to the M · N inputs of the pre formation of time intervals in the distance, the first input of each of the selectors is connected to the output of the corresponding multivibrator strobe - pulse, the second input is connected to the output of the corresponding channel of the receiver, the input of the first multivibrator of delay is connected to the output of the corresponding channel of the receiver, and the output of each subsequent multivibrator of delay is connected to the second output corresponding selector, N (N-1) additional blocks for converting time intervals into distances are introduced into each of the M channels, N-1 additional блоков blocks for selecting the maximum distance value and a distance averager, the inputs of each of N-1 sets of N blocks for converting time intervals into distances are connected to the corresponding outputs of N-1 additional time interval meters, and the outputs are connected to the inputs of N-1 additional blocks for selecting the maximum the values, outputs of all blocks for selecting the maximum distance value are connected to N inputs of the distance averager, and the output of the distance averager is connected to the input of the coordinate calculator of the navigation object.

Навигационная база таких систем, предварительно устанавливаемая на дне акватории, как правило, состоит из 12-16 маяков-ответчиков и предварительно калибруется в относительных и в географических координатах (относительная и абсолютная калибровки) с помощью судна обеспечения, оснащенного бортовым комплексом спутниковой и гидроакустической системами навигации. После выработки своего энергетического ресурса маяки-ответчики заменяются, при этом производится новая калибровка донной навигационной базы. Данные системы позволяют обеспечить географическую привязку подводного аппарата в пределах площади до 100 квадратных километров и протяженностью до 50 км.The navigation base of such systems, pre-installed at the bottom of the water area, as a rule, consists of 12-16 responder beacons and is pre-calibrated in relative and geographical coordinates (relative and absolute calibrations) using a support vessel equipped with an on-board complex of satellite and sonar navigation systems . After developing their energy resource, the transponder beacons are replaced, and a new calibration of the bottom navigation base is performed. These systems make it possible to ensure the geographic location of the underwater vehicle within an area of up to 100 square kilometers and a length of up to 50 km.

Использование таких систем для навигации подводных аппаратов требует значительных затрат судового времени, большого количества донных маяков-ответчиков с длительным сроком автономности, ограничивает радиус действия подводного аппарата дальностью связи с донной навигационной базой.The use of such systems for the navigation of underwater vehicles requires a significant amount of ship time, a large number of bottom lighthouse transponders with a long battery life, and limits the range of the underwater vehicle to the communication range with the bottom navigation base.

Известен способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы, содержащей навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенного на объекте навигации гидроакустического приемопередатчика, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками. Согласно способу гидроакустические приемоответчики размещают на дрейфующих станциях по водной поверхности, навигационные параметры подводного объекта относительно дрейфующей станции или базы из дрейфующих станций определяют в режиме с длинной и/или ультракороткой базой, и/или в комбинированном режиме (длинная + ультракороткая база), и/или в пеленгационной системе, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы Х направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо ([9] патент RU №2365939). При реализации данного способа, в отличие от известных устройств, на поверхности моря размещается дрейфующая станция, снабженная соответствующей аппаратурой, и которая, находясь в дрейфе, имеет возможность непрерывно принимать сигналы среднеорбитных спутниковых навигационных систем, обрабатывать их с определением высокоточных собственных координат в любой момент времени. В определенный момент времени (по сигналу запроса с подводного объекта или по программе работы дрейфующей станции) эта информация передается по гидроакустическому каналу в виде шумоподобного кодированного сигнала определенного формата на подводный объект. Определив свои координаты относительно дрейфующей станции и имея информацию о географических координатах последней, подводный объект выполняет собственное координирование в географической системе координат.A known method of navigating an underwater object by means of a hydroacoustic navigation system containing a navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transceiver located on the navigation object, by which the signal propagation time intervals are measured with their subsequent conversion in the distance between the underwater object and hydroacoustic transponders. According to the method, hydroacoustic transponders are placed at drifting stations on a water surface, the navigation parameters of an underwater object relative to a drifting station or base from drifting stations are determined in a mode with a long and / or ultrashort base, and / or in a combined mode (long + ultrashort base), and / or in a direction finding system, in this case, two navigation bases are formed from receivers with a common center of the base, placing them in a plane parallel to the plane of the deck of the underwater object, while the axis of one base X is directed along the center line of the underwater object, and the axis of the other base Y is directed along the beam to the right ([9] patent RU No. 2365939). When implementing this method, in contrast to the known devices, a drifting station is located on the sea surface, equipped with appropriate equipment, and which, while in a drift, is able to continuously receive signals from medium-orbit satellite navigation systems, process them with the determination of high-precision eigen coordinates at any time . At a certain point in time (according to a request signal from an underwater object or according to the work program of a drifting station) this information is transmitted via a hydroacoustic channel in the form of a noise-like encoded signal of a certain format to an underwater object. Having determined its coordinates relative to the drifting station and having information about the geographical coordinates of the latter, the underwater object performs its own coordination in the geographical coordinate system.

Устройство, посредством которого реализуется известный способ [9], представляет собой гидроакустическую навигационную систему, которая содержит навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенный на объекте навигации гидроакустический приемопередатчик, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками. При этом приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов, каждая секция антенны состоит из двух одноканальных и одного многоканального модуля, установленных на линейном несущем кронштейне, выполненном перфорированным, антенны приемников выполнены в форме сферической поверхности и размещены на стальной пластине, по крайней мере, один из М гидроакустических приемоответчиков установлен на водной поверхности. Технический результат - повышение надежности при обеспечении навигации подводных объектов ([10] патент RU №2371738). Недостатком данного устройства является то, что достижение указанного технического результата достигается в благоприятных погодных условиях, что ограничивает широкое применение данного устройства.The device by which the known method is implemented [9] is a sonar navigation system that contains a navigation base of M sonar transponders with different response frequencies and a sonar transceiver located on the navigation object, which measures the time intervals of signal propagation with their subsequent conversion in distance between an underwater object and sonar transponders. At the same time, the receiving hydroacoustic antenna consists of four hydrophones, each section of the antenna consists of two single-channel and one multi-channel module mounted on a linear support bracket made perforated, the receiver antennas are made in the form of a spherical surface and placed on at least one of M sonar transponders mounted on the water surface. EFFECT: increased reliability while ensuring navigation of underwater objects ([10] patent RU No. 2371738). The disadvantage of this device is that the achievement of the specified technical result is achieved in favorable weather conditions, which limits the widespread use of this device.

Наиболее близким из аналогов является гидроакустическая навигационная система, приведенная в источнике информации [10] - прототип. Известная навигационная система по своей технической сущности, функциональному назначению и достигаемому техническому результату является наиболее близкой к заявляемому изобретению.The closest of the analogues is the sonar navigation system, given in the source of information [10] - the prototype. The known navigation system in its technical nature, functionality and technical result achieved is the closest to the claimed invention.

Задачей заявляемого технического решения является уменьшение погрешности измерения координат подводного объекта с одновременным снижением трудозатрат при выполнении подводных исследовательских работ.The objective of the proposed technical solution is to reduce the measurement error of the coordinates of the underwater object while reducing labor costs when performing underwater research.

Поставленная задача решается за счет того, что в гидроакустической навигационной системе, которая содержит навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенный на объекте навигации гидроакустический приемопередатчик, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками, приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов, установленных на линейном несущем кронштейне, выполненном перфорированным, антенны приемников размещены на стальной пластине, но крайней мере, один из М гидроакустических приемоответчиков установлен на водной поверхности в отличие от прототипа, приемная гидроакустическая антенна включает еще девять гидрофонов при формировании из гидроакустических приемников двух навигационных баз с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы Х направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо, в отличие от прототипа каждая навигационная база сформирована из семи гидрофонов, один из которых является общим для обеих навигационных баз, на равных расстояниях от которого размещены по два гидрофона, образующие общую центральную часть навигационных баз, состоящую из девяти гидрофонов, при этом крайние гидрофоны каждой из навигационных баз смещены относительно общей центральной части навигационной базы на расстояние, превышающие расстояние между гидрофонами, образующими общую центральную часть навигационных баз, на линейном несущем кронштейне дополнительно установлены датчик определения скорости звука, датчик гидродинамического давления и инерциальный датчик, каждый из М гидроакустических приемоответчиков состоит из подводного и надводного модуля, соединенных кабель-тросом, с датчиками наклона и длины вытравленного троса, надводный модуль снабжен каналом спутниковой радиосвязи.The problem is solved due to the fact that in a hydroacoustic navigation system that contains a navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transceiver located on the navigation object, which measures the time intervals of signal propagation with their subsequent conversion in the distance between the underwater object and hydroacoustic transponders, receiving hydroacoustic antenna consists of four hydrophones installed on a linear support bracket made of perforated, the receiver antennas are placed on a steel plate, but at least one of the M hydroacoustic transponders is installed on the water surface, unlike the prototype, the receiving hydroacoustic antenna includes nine more hydrophones when two navigation bases with a common the center of the base, placing them in a plane parallel to the plane of the deck of the underwater object, while the axis of one base X is directed along the axial line of the underwater object, and the axis of the other base Y is directed along the traverse to the right, unlike the prototype, each navigation base is formed of seven hydrophones, one of which is common for both navigation bases, at equal distances from which two hydrophones are placed, forming a common central part of the navigation bases consisting of nine hydrophones, while the extreme hydrophones of each of the navigation bases are displaced relative to the common central part of the navigation base by a distance exceeding the distance between the hydrophones forming a common the central part of the navigation bases, an additional sound velocity sensor, a hydrodynamic pressure sensor and an inertial sensor are additionally installed on the linear support bracket, each of the M hydroacoustic transponders consists of an underwater and surface module connected by a cable, with sensors for tilting and length of the etched cable, surface the module is equipped with a satellite radio channel.

Отличительные признаки заявляемого технического заключаются в том, что приемная гидроакустическая антенна включает еще девять гидрофонов, при этом формируют из гидроакустических приемников две навигационные базы с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы Х направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо, каждая навигационная база сформирована из семи гидрофонов, один из которых является общим для обеих навигационных баз, на равных расстояниях от которого размещены по два гидрофона, образующие общую центральную часть навигационных баз, состоящую из девяти гидрофонов, при этом крайние гидрофоны каждой из навигационных баз смещены относительно общей центральной части навигационной базы на расстояние, превышающие расстояние между гидрофонами, образующими общую центральную часть навигационных баз, позволяют существенно уменьшить погрешность определения координат за счет того, что крайние гидрофоны в каждой базе используются для точного измерения компонент направления прихода акустической волны, а центральная часть массива гидрофонов - для исключения ошибки на целое число длин волн при измерении полной разности фаз между крайними гидрофонами. Кроме того, размещение на линейном несущем кронштейне датчика определения скорости звука, датчика гидродинамического давления и инерциального датчика при определении координат подводного объекта позволяет оперативно учитывать изменение таких параметров, как скорость звука в воде, гидродинамическое давление, углы наклона антенны. Выполнение гидроакустических приемоответчиков состоящими из подводного и надводного модулей позволяет реализовать спутниковый радиоканал связи. Наличие на каждом из М гидроакустических приемоответчиков канала спутниковой радиосвязи позволяет корректировать местоположение (координаты) гидроакустических приемоответчиков, которые в процессе их работы могут отличаться от первоначальных установочных координат при воздействии подводных течений и деформациях грунта.Distinctive features of the claimed technical lies in the fact that the receiving hydroacoustic antenna includes nine more hydrophones, while two navigation bases with a common center of the base are formed from hydroacoustic receivers, placing them in a plane parallel to the plane of the deck of the underwater object, while the axis of one base X is directed along the center line of the underwater object, and the axis of the other base Y is directed along the beam to the right, each navigation base is formed of seven hydrophones, one of which is common to both on igational bases, at equal distances from which two hydrophones are placed, forming the common central part of the navigation bases, consisting of nine hydrophones, while the extreme hydrophones of each of the navigation bases are displaced relative to the general central part of the navigation base by a distance exceeding the distance between the hydrophones forming the common the central part of the navigation bases, can significantly reduce the error in determining the coordinates due to the fact that the extreme hydrophones in each base are used for accurate Measurements component direction of arrival of the acoustic waves and the central part of the array of hydrophones - to eliminate errors integer wavelengths when measuring the total phase difference between the extreme hydrophones. In addition, the placement on the linear support bracket of a sensor for determining the speed of sound, a hydrodynamic pressure sensor and an inertial sensor when determining the coordinates of an underwater object allows you to quickly take into account changes in such parameters as the speed of sound in water, hydrodynamic pressure, and antenna tilt angles. The implementation of hydroacoustic transponders consisting of underwater and surface modules allows you to implement a satellite radio channel. The presence on each of the M sonar transponders of a satellite radio communication channel allows you to adjust the location (coordinates) of the sonar transponders, which during their operation may differ from the initial installation coordinates when exposed to underwater currents and soil deformations.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings.

Фиг.1. Схема размещения гидрофонов антенны для приема гидроакустических сигналов.Figure 1. The layout of the hydrophones of the antenna for receiving hydroacoustic signals.

Схема включает стальную пластину 1 с кронштейнами 2, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях, на которых размещены гидрофоны 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. Гидрофоны 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13 и 14 образуют центральный массив гидрофонов, а гидрофоны 3, 9, 12 и 15 являются крайними гидрофонами, расположенными на концах соответствующих навигационных баз. В месте установки гидрофона 6, на стальной пластине 1, в отдельном корпусе 16, установлены датчики определения скорости звука, гидродинамического давления и инерциальный датчик. Кронштейны 2 закреплены на раме 17. Боковые и тыльные направления гидрофонов заглушены экранами.The scheme includes a steel plate 1 with brackets 2 located in mutually perpendicular planes on which hydrophones 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. Hydrophones 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13, and 14 form the central array of hydrophones, and hydrophones 3, 9, 12, and 15 are extreme hydrophones located at the ends of the respective navigation bases. At the installation site of the hydrophone 6, on a steel plate 1, in a separate housing 16, sensors for determining the speed of sound, hydrodynamic pressure and an inertial sensor are installed. The brackets 2 are mounted on the frame 17. The lateral and rear directions of the hydrophones are drowned out by screens.

Фиг.2. Блок-схема устройства. Блок-схема включает излучатель 18, сформированный гидрофонами 3, 9, 12 и 15, приемник 19, сформированный из гидрофонов 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 14 (фиг.1), фильтр-усилитель 20, АЦП 21, контроллер 2, навигационный процессор 23, коммутатор 24, генератор опорных сигналов 25, усилитель мощности 26.Figure 2. The block diagram of the device. The block diagram includes an emitter 18 formed by hydrophones 3, 9, 12 and 15, a receiver 19 formed from hydrophones 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 14 (Fig. 1), a filter amplifier 20 , ADC 21, controller 2, navigation processor 23, switch 24, reference signal generator 25, power amplifier 26.

Фиг.3. Временные диаграммы сигналов «ЗАПРОС» (фиг.3а) и «ОТВЕТ» (фиг.3б).Figure 3. Timing diagrams of the signals "REQUEST" (figa) and "RESPONSE" (figb).

Заявляемое техническое решение предназначено для определения координат подводных объектов относительно различных типов гидроакустических приемоответчиков (маяков-ответчиков) в режиме с ультракороткой базой, включая автономные и буксируемые подводные аппараты, различные подводные научно-исследовательские приборы и станции, устройства и механизмы, обеспечивающие разведку и добычу полезных ископаемых, и может быть использовано при проведении океанографических и геологических исследований, добыче полезных ископаемых и других видах подводных работ в локальных зонах.The claimed technical solution is intended to determine the coordinates of underwater objects relative to various types of sonar transponders (beacon transponders) in an ultra-short base mode, including autonomous and towed underwater vehicles, various underwater research devices and stations, devices and mechanisms for exploration and production of useful minerals, and can be used in oceanographic and geological studies, mining and other types odvodnyh work in local areas.

Излучатель 18 и приемник 19 образуют общую гидроакустическую приемопередающую антенну, которая предназначена для работы в составе гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ). Гидроакустическая приемопередающая антенна предназначена для излучения и приема акустических сигналов для последующего определения положения акустического маяка в определенном диапазоне дальностей относительно географических координат и может быть выполнена в трех вариантах в зависимости от типа подводных аппаратов. Для подводных аппаратов типа «Мир» и «Звук-6» с диапазоном дальностей действия антенн - до 8000 м, подводного аппарата типа «Мезоскан-М» до 3000 м (аппараты типа Мезоскан-М) и для подводных аппаратов типа «Гном» и «Микросаунд» до 500 м соответственно.The emitter 18 and the receiver 19 form a common sonar transceiver antenna, which is designed to work as part of a sonar navigation system with an ultrashort base (HANS-UKB). The hydro-acoustic transceiver antenna is designed to emit and receive acoustic signals for subsequent determination of the position of the acoustic beacon in a certain range of ranges relative to geographical coordinates and can be performed in three versions, depending on the type of underwater vehicles. For underwater vehicles of the Mir and Sound-6 type with a range of antenna ranges of up to 8000 m, underwater vehicle of the Mezoskan-M type up to 3000 m (vehicles of the Mezoskan-M type) and for underwater vehicles of the Gnome type and "Microsound" up to 500 m, respectively.

В состав гидроакустической приемно-передающей антенны входят многоканальная система приема, усилитель мощности, микроконтроллерный модуль управления и связи.The composition of the hydro-acoustic receiving and transmitting antenna includes a multi-channel receiving system, a power amplifier, a microcontroller control and communication module.

Гидроакустическая приемопередающая антенна обеспечивает излучение и прием сигналов, формат которых соответствует параметрам одного из маяков-ответчиков типа «МО-Д», «ГМО-6000», «ГМО-2000», «ГМО-200», и обеспечивает эквивалентную угловую точность не хуже 0.03° в режиме дальнего действия и 0.3° в режиме ближнего действия.The hydro-acoustic transceiver antenna provides radiation and reception of signals, the format of which corresponds to the parameters of one of the beacon-transponders such as “MO-D”, “GMO-6000”, “GMO-2000”, “GMO-200”, and provides equivalent angular accuracy no worse 0.03 ° in the long-range mode and 0.3 ° in the short-range mode.

Инерциальный датчик представляет собой высокоточный инерциальный датчик типа гирокомпаса для измерения наклонов и курса гидроакустической приемопередающей антенны. В конкретной технической реализации применен датчик типа «U-PHINS» фирмы IXSEA.The inertial sensor is a high-precision inertial sensor of the gyrocompass type for measuring the slopes and course of the sonar transceiver antenna. In a specific technical implementation, a “U-PHINS” sensor from IXSEA is used.

Датчик скорости звука представляет собой циклический скоростемер, представляющий собой замкнутое через воду акустическое кольцо синхронизации, образованное двумя акустическими преобразователями, усилителем и импульсным генератором, запускаемым по сигналам с выхода усилителя (1. Гусев М.Н., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги // Судостроение за рубежом, 1976, №5, с.53-57. 2. Судовые измерители скорости / А.А.Хребтов, В.Н.Кошкарев и др. - Судостроение, 1978, с.133).The sound velocity sensor is a cyclic speed meter, which is an acoustic synchronization ring closed through water, formed by two acoustic transducers, an amplifier and a pulse generator, triggered by signals from the amplifier output (1. Gusev MN, Yakovlev GV Hydroacoustic Doppler logs // Shipbuilding abroad, 1976, No. 5, pp. 53-57. 2. Ship speed meters / A.A. Khrebtov, V. N. Koshkarev et al. - Shipbuilding, 1978, p.133).

Датчик гидродинамического давления представляет собой датчик, аналогом которого является датчик давления, приведенный в описании к патенту RU №2328757. Каждый из М гидроакустических приемоответчиков состоит из подводного и надводного модулей, соединенных кабель-тросом. Надводный модуль снабжен спутниковым радиоканалом типа «Sea Tooth». Для подъема антенны спутникового радиоканала на поверхность может быть использована, например, морская лебедка типа «Лерок» или положительная плавучесть типа аварийного буя, применяемого на подводных лодках с установленными на них датчиками наклона и длины вытравленного троса.The hydrodynamic pressure sensor is a sensor, the counterpart of which is the pressure sensor described in the description of patent RU No. 23228757. Each of the M sonar transponders consists of underwater and surface modules connected by a cable. The surface module is equipped with a Sea Tooth satellite radio channel. For raising the satellite radio channel antenna to the surface, for example, a Lerok type marine winch or positive buoyancy like the emergency buoy used on submarines with installed sensors for tilt and length of the etched cable can be used.

На маяке-ответчике также установлены приемопередающая гидроакустическая антенна, предназначенная для преобразования акустических сигналов в электрические и преобразования электрических сигналов в акустические, и блок электроники. В состав блока электроники входят:The transponder beacon also has a sonar transceiver designed to convert acoustic signals to electrical and convert electrical signals into acoustic ones, and an electronics unit. The electronics unit includes:

- приемно-усилительное устройство, предназначенное для приема и усиления сигналов "ЗАПРОС", переданных с подводного объекта по гидроакустическому каналу связи;- a receiving-amplifying device designed to receive and amplify “REQUEST” signals transmitted from an underwater object through a sonar communication channel;

- декодер сигнала "ЗАПРОС", который осуществляет декодирование сигнала "ЗАПРОС" и определяет момент прихода сигнала "ЗАПРОС";- decoder signal "REQUEST", which decodes the signal "REQUEST" and determines the moment of arrival of the signal "REQUEST";

- формирователь сигнала "ОТВЕТ", который предназначен для формирования сигнала "ОТВЕТ" после приема сигнала "ЗАПРОС";- “RESPONSE” signal shaper, which is designed to generate the “RESPONSE” signal after receiving the “REQUEST” signal;

- усилитель мощности, предназначенный для усиления до необходимого уровня сигнала "ОТВЕТ" с целью его передачи по гидроакустическому каналу связи.- a power amplifier designed to amplify the “RESPONSE” signal to the required level for the purpose of its transmission through the hydroacoustic communication channel.

- блок питания, который обеспечивает электропитанием все электронные узлы блока электроники.- a power supply unit that provides power to all electronic components of the electronics unit.

Блок электроники размещен в прочном корпусе, который защищает его от воздействия гидростатического давления.The electronics unit is housed in a rugged housing that protects it from the effects of hydrostatic pressure.

Донные маяки-приемоответчики устанавливаются по трассе выполнения исследовательских работ посредством подводных объектов, и их количество определяется масштабами проводимых исследований. Предлагаемая конструкция приемопередающей гидроакустической антенны позволяет осуществлять подводную навигацию при наличии двух маяков приемоответчиков. Определение координат места подводного объекта осуществляется аналогично известным способам и устройствам, приведенным в описаниях к патентам RU №2365939 (Способ навигации подводного объекта) и RU №2371738 (Гидроакустическая навигационная система). Навигация подводного объекта относительно донных маяков-ответчиков может осуществляется как в режиме с длинной базой (ДБ), ультракороткой базой (УКБ) так в комбинированном режиме ДБ/УКБ. При этом подводный объект оснащается соответствующими режиму работы гидроакустическими приемопередающими антеннами, навигационным контроллером и программно-математическим обеспечением.Bottom beacons-transponders are installed along the route of research work through underwater objects, and their number is determined by the scope of the research. The proposed design of a transceiver sonar antenna allows for underwater navigation in the presence of two beacons transponders. The location coordinates of the underwater object are carried out similarly to the known methods and devices described in the descriptions of patents RU No. 2365939 (Method for navigating an underwater object) and RU No. 2371738 (Hydroacoustic navigation system). Navigation of the underwater object relative to the bottom transponder beacons can be carried out both in the long base (DB) mode, ultrashort base (UHB) and in the combined DB / UHB mode. At the same time, the underwater object is equipped with hydroacoustic transceiver antennas corresponding to the operating mode, a navigation controller and mathematical software.

При обеспечении навигации подводного объекта на глубинах более 1 км используют частоты в диапазоне от 8 до 15 кГц, при этом энергетическая дальность связи с маяком-приемоответчиком будет достигать 10-14 км, а погрешность определения координат подводного объекта составит 7-10 м в режиме ДБ и 0,3% от дальности в режиме УКБ и 0,5 градусов в режиме пеленгации. При рабочей глубине менее одного километра целесообразно использовать рабочие частоты в диапазоне 25-35 кГц и работать в режиме УКБ. При этом максимальная дальность связи будет достигать порядка 3 км. Каждый сигнал маяка приемоответчика имеет специальный формат и кодировку и несет в себе информацию о географических координатах, его индивидуальном номере. Наиболее оптимальная дальность связи в режиме УКБ при глубине погружения до 500 м - 1 км. Точность определения координат до 5 м.When providing navigation of an underwater object at depths of more than 1 km, frequencies in the range from 8 to 15 kHz are used, while the energy range of communication with the beacon-transponder will reach 10-14 km, and the error in determining the coordinates of the underwater object will be 7-10 m in DB mode and 0.3% of the range in the UKB mode and 0.5 degrees in the direction finding mode. At a working depth of less than one kilometer, it is advisable to use operating frequencies in the range of 25-35 kHz and work in the UHF mode. In this case, the maximum communication range will reach about 3 km. Each signal of the transponder beacon has a special format and encoding and carries information about the geographical coordinates and its individual number. The most optimal communication range in the UKB mode with an immersion depth of up to 500 m is 1 km. Accuracy of determination of coordinates to 5 m.

Устройство в части обеспечения позиционирования подводного объекта представляет собой гидроакустическую навигационную систему с комбинированной системой гидроакустической навигации с длинной и ультракороткой базой, которая позволяет использовать режим пеленгации и обеспечить решение задачи выхода подводного объекта в точку установки маяка приемоответчика по трассе выполняемых работ. При этом гидроакустическая антенна маяков-приемоответчиков, как и подводного объекта, представляет две имеющие общий центр базы и состоит из такого же количества приемников.The device, in terms of ensuring the positioning of an underwater object, is a sonar navigation system with a combined sonar system with a long and ultra-short base, which allows you to use the direction finding mode and provide a solution to the problem of the underwater object reaching the installation point of the transponder beacon along the line of work being performed. At the same time, the sonar antenna of the beacon transponders, as well as the underwater object, represents two having a common base center and consists of the same number of receivers.

При этом, когда все гидрофоны производят прием на одной и той же рабочей частоте, реализуется режим определения задержки и направления прихода отклика от фиксированного маяка приемоответчика в режиме ультракороткой базы, а когда каждый из гидрофонов настроен на свою рабочую частоту, осуществляется режим измерения задержек от двух или нескольких донных маяков-приемоответчиков в режиме длинной базы.At the same time, when all hydrophones receive at the same working frequency, the mode of determining the delay and direction of arrival of the response from the fixed beacon of the transponder in the ultrashort base mode is implemented, and when each of the hydrophones is tuned to its working frequency, the measurement mode of delays from two or several long base transponder beacons.

Диапазон рабочих глубин маяков-приемоответчиков от 200 до 6000 м, наклонная дальность действия ГАНС-УКБ составляет от 20 до 8000 м, в зависимости от назначения подводного объекта. Диапазон рабочих частот для дальности связи до 500 м составляет 30-50 кГц, а для дальности связи до 8000 м составляет 7-14 кГц.The range of working depths of beacons-transponders is from 200 to 6000 m, the inclined range of the HANS-UKB is from 20 to 8000 m, depending on the purpose of the underwater object. The operating frequency range for a communication range of up to 500 m is 30-50 kHz, and for a communication range of up to 8000 m is 7-14 kHz.

Режимы работы маяков приемоответчиков «ЗАПРОС-ОТВЕТ».Operating modes of beacons of transponders "REQUEST-RESPONSE".

В этом режиме принимается сигнал запроса и излучает сигнал ответа. Запрос производится по гидроакустическому каналу связи, запрос адресный. Адрес определяется своей частотой запроса.In this mode, a request signal is received and emits a response signal. The request is made via the sonar channel, the request is addressed. The address is determined by its frequency of request.

Диапазон частот сигнала "ЗАПРОС" - от 7 кГц до 10 кГц. Диапазон частот сигнала "ОТВЕТ" - от 10 кГц до 14 кГц. Формат сигнала "ЗАПРОС" - пачка из двух импульсов, каждый из которых заполнен своей частотой. Частота заполнения первого импульса 8192 Гц. Частота заполнения второго импульса находится в диапазоне от 9 кГц до 10 кГц. Длительность первого импульса 50 мс ±1 мс, второго 10 мс ±0,02 мс. Период следования 100 мс.The frequency range of the “REQUEST” signal is from 7 kHz to 10 kHz. The frequency range of the “ANSWER” signal is from 10 kHz to 14 kHz. The format of the “REQUEST” signal is a packet of two pulses, each of which is filled with its own frequency. The filling frequency of the first pulse is 8192 Hz. The frequency of the second pulse filling is in the range from 9 kHz to 10 kHz. The duration of the first pulse is 50 ms ± 1 ms, of the second 10 ms ± 0.02 ms. The repetition period is 100 ms.

Первый импульс выводит маяк из "спящего" режима. По второму импульсу регистрируется время прихода сигнала и определяется адрес маяка. Формат сигнала "ОТВЕТ" - пачка из двух импульсов, каждый из которых заполнен своей частотой. Частота заполнения первого импульса находится в диапазоне от 10 кГц до 11,5 кГц. Частота заполнения второго импульса находится в диапазоне от 11,5 кГц до 14 кГц. Длительность первого импульса 50 мс ±1 мс, второго 10 мс ±0,02 мс мс. Период следования 100 мс.The first pulse takes the beacon out of sleep mode. The second pulse records the time of arrival of the signal and determines the address of the beacon. The “RESPONSE” signal format is a packet of two pulses, each of which is filled with its own frequency. The filling frequency of the first pulse is in the range from 10 kHz to 11.5 kHz. The frequency of the second pulse filling is in the range from 11.5 kHz to 14 kHz. The duration of the first pulse is 50 ms ± 1 ms, of the second 10 ms ± 0.02 ms. The repetition period is 100 ms.

Первый импульс используется для измерения направления. Второй импульс используется для измерения дальности.The first pulse is used to measure direction. The second pulse is used to measure range.

Сигналы "ОТВЕТ" одинаковые для каждого из маяков. Среднеквадратическая погрешность регистрации времени прихода сигнала "ЗАПРОС" по гидроакустическому каналу - 2 мс, при уровне шумового давления в зоне расположения маяка в полосе 1 Гц на частоте 1 кГц не более 0,1 Па. Вероятность пропуска сигнала "ЗАПРОС" при уровне шумового давления 0,1 Па в полосе 1 Гц на частоте 1 кГц, Рпр - 10-4, не более.The ANSWER signals are the same for each of the beacons. The root-mean-square error of recording the time of arrival of the “REQUEST” signal via the hydroacoustic channel is 2 ms, at a noise pressure level in the zone of the beacon in the 1 Hz band at a frequency of 1 kHz, not more than 0.1 Pa. The probability of skipping the signal "REQUEST" at a noise pressure level of 0.1 Pa in the band of 1 Hz at a frequency of 1 kHz, P ol - 10 -4 , no more.

Чувствительность приемника не хуже 100 дБ относительно 1 мкПа на расстоянии 1 м. Уровень акустического давления, создаваемый приемоизлучающей антенной в рабочей полосе частот, должен быть не менее 190 дБ относительно 1 мкПа на расстоянии 1 м. Диаграмма направленности приемоизлучающей антенны - однонаправленная. Ширина диаграммы направленности по уровню 0,707 в рабочей полосе частот - ±45° ±5°. Чувствительность на прием на частотах от 7 кГц до 10 кГц - 300 мкВ/Па, не менее. Чувствительность на передачу в диапазоне частот от 10 кГц до 13,5 кГц - 4,5 Па/В, не менее.The sensitivity of the receiver is not worse than 100 dB relative to 1 μPa at a distance of 1 m.The level of acoustic pressure generated by a receiving-emitting antenna in the working frequency band should be at least 190 dB relative to 1 μPa at a distance of 1 m.The radiation pattern of a receiving-emitting antenna is unidirectional. The width of the radiation pattern at the level of 0.707 in the working frequency band is ± 45 ° ± 5 °. Sensitivity at reception at frequencies from 7 kHz to 10 kHz - 300 μV / Pa, not less. Sensitivity to transmission in the frequency range from 10 kHz to 13.5 kHz - 4.5 Pa / V, not less.

Параметры сигнала "ЗАПРОС", передаваемого по гидроакустическому каналу связи (фиг.3а):The parameters of the signal "REQUEST" transmitted through the hydroacoustic communication channel (figa):

- пачка из двух импульсов, заполненных несущими частотами Fд (дежурный) и F и 1 или F и 2 (измерительный);- a pack of two pulses filled with carrier frequencies F d (standby) and F and 1 or F and 2 (measuring);

- длительность первого импульса τид - 50 мс ±1 мс;- the duration of the first pulse τid - 50 ms ± 1 ms;

- длительность второго импульса τии - 10 мс ±0,02 мс;- the duration of the second pulse τii - 10 ms ± 0.02 ms;

- период следования первого и второго импульсов Тс - 0,1 с;- the period of the first and second pulses T s - 0.1 s;

- частота заполнения первого импульса Fд - 8192 Гц;- the frequency of filling the first pulse F d - 8192 Hz;

- частота заполнения второго импульса F и 1 - 8474 Гц;- filling frequency of the second pulse F and 1 - 8474 Hz;

- частота заполнения второго импульса F и 2 - 8928 Гц.- filling frequency of the second pulse F and 2 - 8928 Hz.

Параметры сигнала "ОТВЕТ" (фиг.3б):The parameters of the signal "ANSWER" (figb):

- пачка из двух импульсов, заполненных несущими частотами Fп (пеленг) и Fдал (дальность);- a pack of two pulses filled with carrier frequencies Fп (bearing) and Fдал (range);

- длительность первого импульса τид - 50 мс ±1 мс;- the duration of the first pulse τid - 50 ms ± 1 ms;

- длительность второго импульса τии - 10 мс ±0,02 мс;- the duration of the second pulse τii - 10 ms ± 0.02 ms;

- период следования первого и второго импульсов Тс - 0,1 с;- the period following the first and second pulses Tc - 0.1 s;

- частота заполнения первого импульса Fпел - 10000 Гц;- filling frequency of the first pulse Fpel - 10000 Hz;

- частота заполнения второго импульса Fдал - 10416 Гц.- filling frequency of the second pulse Fdal - 10416 Hz.

Акустический запрос производится через усилитель мощности 26 излучателем 18. Ответные сигналы принимаются центральным массивом гидрофонов, производится их усиление, фильтрация, выделение квадратур, оцифровка и обработка посредством навигационного процессора 23. Приемопередающая гидроакустическая антенна снабжена датчиками гидродинамического давления и скорости звука, инерциальным датчиком для определения собственной угловой ориентации, и поступающая с них информация во время каждого цикла приема ответов присоединяется к пакету акустической информации. В дальнейшем при окончательной обработке данных навигационным процессором 23, используя информацию от навигационного приемника GPS, рассчитываются точные географические координаты местоположения подводного объекта.An acoustic request is made through a power amplifier 26 by a radiator 18. The response signals are received by a central array of hydrophones, amplified, filtered, quadrature, digitized and processed by the navigation processor 23. The transceiver hydroacoustic antenna is equipped with hydrodynamic pressure and sound velocity sensors, an inertial sensor to determine its own angular orientation, and the information coming from them during each cycle of receiving responses is attached to the package aka cal information. Subsequently, upon final processing of the data by the navigation processor 23, using the information from the GPS navigation receiver, the exact geographical coordinates of the location of the underwater object are calculated.

При этом измеренное время пробега пересчитывается с учетом профиля скорости звука в наклонную дальность, а направление прихода волны на поверхность антенны с учетом наклонов и азимута самой антенны позволяет определить точку, из которой излучение звука было произведено. Измерение времени пробега производится путем анализа формы принятого звукового сигнала, при этом точность измерения времени определяется шириной полосы приемного тракта и отношением сигнал/шум. Определение направления прихода звуковой волны производится путем измерения разности фаз сигналов, принятых разными гидрофонами, с последующим пересчетам разности фаз в геометрические углы с учетом характерной длины волны акустического сигнала и пространственного разнесения приемников. Точность измерения направления при этом определяется дистанцией между приемниками и отношением сигнал/шум. Точность измерения времени пробега или, другими словами, точность определения положения объекта вдоль луча не зависит от расстояния (при достаточно высоком уровне сигнала по сравнению с шумами) и для традиционных систем дальнего действия составляет доли метра. При фиксированном угловом разрешении ошибка измерения положения объекта поперек луча линейно увеличивается с дистанцией и, как правило, характеризуется в процентном отношении к наклонной дальности.In this case, the measured travel time is recalculated taking into account the profile of the speed of sound in an inclined range, and the direction of arrival of the wave on the surface of the antenna, taking into account the slopes and azimuth of the antenna itself, allows you to determine the point from which the sound was generated. The measurement of travel time is carried out by analyzing the shape of the received sound signal, while the accuracy of the time measurement is determined by the bandwidth of the receiving path and the signal-to-noise ratio. The direction of arrival of the sound wave is determined by measuring the phase difference of the signals received by different hydrophones, followed by recalculations of the phase difference into geometric angles, taking into account the characteristic wavelength of the acoustic signal and the spatial diversity of the receivers. The accuracy of the direction measurement is determined by the distance between the receivers and the signal-to-noise ratio. The accuracy of measuring the travel time or, in other words, the accuracy of determining the position of an object along the beam does not depend on distance (at a sufficiently high signal level compared to noise) and for traditional long-range systems is a fraction of a meter. With a fixed angular resolution, the error in measuring the position of the object across the beam increases linearly with distance and, as a rule, is characterized as a percentage of the slant range.

Существуют два способа повышения точности ГАНС-УКБ систем. Это увеличение пространственного разнесения приемников и увеличение отношения сигнал/шум.There are two ways to improve the accuracy of HANS-UKB systems. This is an increase in the spatial diversity of the receivers and an increase in the signal-to-noise ratio.

Исследование структурных и функциональных схем известных ГАНС-УКБ показало, что практически во всех известных технических решениях используются приемные антенны сравнительно небольших размеров - менее полуметра. Увеличение разнесения гидрофонов до 1-1,5 м позволит пропорционально увеличить угловую точность приемопередающей гидроакустической антенны при фиксированном отношении сигнал/шум.The study of the structural and functional schemes of the well-known GANS-UKB showed that almost all known technical solutions use receiving antennas of relatively small sizes - less than half a meter. An increase in the separation of hydrophones to 1-1.5 m will proportionally increase the angular accuracy of the transceiver sonar antenna with a fixed signal to noise ratio.

Увеличение отношения сигнал/шум достигается увеличением мощности сигнала и снижением уровня шума. Как правило, в источниках анализируемых звуковых сигналов для приемных антенн ГАНС-УКБ используются пьезокерамические излучающие элементы, работающие на пределе излучаемой мощности, поэтому единственным способом усиления сигнала является увеличение его энергии за счет увеличения длительности. Увеличение длительности в тональном режиме приводит к снижению точности измерения времени пробега акустической волны и, тем самым, к ухудшению характеристик навигации в целом. Единственным реальным способом увеличения энергии сигнала без ухудшения разрешающей способности системы по дальности является использование сложных сигналов. Однако использование сложных сигналов требует, с одной стороны, значительного повышения производительности процессоров в транспондерах и бортовой антенне, а с другой, сокращает время жизни акустических ответчиков в автономном режиме при фиксированном ресурсе источников питания.An increase in the signal-to-noise ratio is achieved by increasing the signal power and reducing the noise level. As a rule, in the sources of the analyzed sound signals for receiving antennas GANS-UKB piezoelectric radiating elements are used that operate at the limit of radiated power, so the only way to amplify the signal is to increase its energy by increasing the duration. An increase in the duration in the tonal mode leads to a decrease in the accuracy of measuring the travel time of an acoustic wave and, thereby, to a deterioration of the overall navigation performance. The only real way to increase the signal energy without compromising the resolution of the system in range is to use complex signals. However, the use of complex signals requires, on the one hand, a significant increase in processor performance in transponders and an onboard antenna, and on the other hand, it shortens the life of acoustic transponders in standalone mode with a fixed resource of power sources.

Существует ряд способов снижения уровня акустических помех на приемнике.There are a number of ways to reduce the level of acoustic noise at the receiver.

Окружающий шум в точке приема имеет сложный частотный и пространственный спектры, и его эффективный уровень может быть снижен за счет ограничения чувствительности приемников в областях, заведомо не содержащих полезной информации. Ограничение чувствительности в частотной области достигается оптимальной фильтрацией сигналов, ограничение чувствительности в пространственной области - пассивным или активным формированием диаграммы направленности. Пассивное формирование достигается применением отражающих и заглушающих элементов в конструкции антенны, которые ослабляют звуковые волны с нежелательных направлений. Такой способ применяется в большинстве известных УКБ систем и является весьма эффективным и относительно дешевым, однако не позволяет максимально сузить пространственный спектр анализируемого сигнала и добиться минимально возможного уровня шума. Активное формирование направленности достигается использованием многоэлементных фазируемых решеток и применяется, например, в системе HIPAP-500 компании Kongsberg. Этот способ формирования диаграммы приема дает наилучшие результаты, однако реализация антенн такого типа является очень сложной и дорогостоящей задачей. В предлагаемом техническом решении увеличение точности навигации подводного объекта достигается за счет пространственного разнесения гидрофонов на максимальное технически допустимое расстояние с формированием диаграммы направленности, близкой к равномерной в активном полупространстве, а боковые и тыльное направления заглушены специальными экранами.The ambient noise at the receiving point has complex frequency and spatial spectra, and its effective level can be reduced by limiting the sensitivity of the receivers in areas that do not contain useful information. The limitation of sensitivity in the frequency domain is achieved by optimal filtering of signals, the limitation of sensitivity in the spatial region by passive or active beamforming. Passive formation is achieved by the use of reflective and damping elements in the antenna structure, which attenuate sound waves from undesirable directions. This method is used in most known UKB systems and is very effective and relatively cheap, but it does not allow to narrow the spatial spectrum of the analyzed signal and to achieve the lowest possible noise level. Active directivity is achieved by using multi-element phased arrays and is used, for example, in Kongsberg's HIPAP-500 system. This method of generating a reception diagram gives the best results, however, implementing antennas of this type is a very difficult and expensive task. In the proposed technical solution, an increase in the navigation accuracy of the underwater object is achieved due to the spatial separation of hydrophones to the maximum technically permissible distance with the formation of a radiation pattern close to uniform in the active half-space, and the lateral and rear directions are drowned out by special screens.

Практическая реализация заявляемого технического решения основана на теоретическом принципе построения предложенной гидроакустической системы подводной навигации с ультракороткой базой.The practical implementation of the proposed technical solution is based on the theoretical principle of constructing the proposed sonar system for underwater navigation with an ultra-short base.

Разность фаз α сигналов двух точечных приемников (первого и второго) с разнесением d при падении на них плоской волны с длиной λ под углом The phase difference α of the signals of two point receivers (first and second) with spacing d when a plane wave with a length of λ is incident on them at an angle

-π/2≤φ<π<π/2 к нормали пары при d<λ/2 равна:-π / 2≤φ <π <π / 2 to the normal of the pair for d <λ / 2 is equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

где -π/2<α<π/2.where -π / 2 <α <π / 2.

Направление прихода волны (пеленг) определяется формулой:The direction of arrival of the wave (bearing) is determined by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

Отсюда следует, что при наличии погрешности δα измерения разности фаз и ошибки δd в продольном разнесении приемников погрешность δφ определения пеленга составляет:It follows that in the presence of an error δα of measuring the phase difference and error δd in the longitudinal separation of the receivers, the error δφ of the bearing determination is:

Figure 00000003
Figure 00000003

где δσ=δd / d - относительная ошибка в продольном разнесении приемников.where δσ = δd / d is the relative error in the longitudinal separation of the receivers.

Погрешность измерения разности фаз δα обусловлена помехами, связанными с отражениями волны от элементов конструкций, шумами океана, шумами судов, подводных аппаратов и механизмов, шумами электронных трактов и т.п. Обозначая через

Figure 00000004
и
Figure 00000005
векторы сигнала и помехи на приемнике, получаем, что вносимая помехой погрешность ε фазы сигнала равна:The error in the measurement of the phase difference δα is due to interference associated with wave reflections from structural elements, ocean noises, ship noises, underwater vehicles and mechanisms, noise from electronic paths, etc. Labeling by
Figure 00000004
and
Figure 00000005
vectors of the signal and interference at the receiver, we obtain that the error introduced by the interference ε of the phase of the signal is equal to:

Figure 00000006
Figure 00000006

Отсюда получаем, что среднеквадратичное значение ε составляет:From this we obtain that the rms value of ε is:

Figure 00000007
Figure 00000007

где q=s/n - отношение сигнал/шум. Погрешность измерения разности фаз сигналов двух приемников очевидно равна:where q = s / n is the signal-to-noise ratio. The error in measuring the phase difference of the signals of the two receivers is obviously equal to:

Figure 00000008
Figure 00000008

Среднеквадратичная погрешность определения пеленга с учетом некоррелированности рассматриваемых погрешностей очевидно составляет:The root mean square error of the determination of the bearing, taking into account the uncorrelatedness of the considered errors, is obviously:

Figure 00000009
Figure 00000009

Для повышения точности пеленга можно использовать третий приемник, расположенный на оси с имеющимися и образующий с первым пару с разнесением D>d. Если β+2πn - разность фаз первого и третьего приемников (-π/2<β<π/2, n - целое), то пеленг и его погрешность аналогично вышеизложенному определяются формулами:To increase the accuracy of the bearing, you can use a third receiver located on the axis with the existing ones and forming with the first pair with a spacing D> d. If β + 2πn is the phase difference of the first and third receivers (-π / 2 <β <π / 2, n is an integer), then the bearing and its error are determined similarly to the above by the formulas:

Figure 00000010
,
Figure 00000011
Figure 00000010
,
Figure 00000011

где δs=δD/D - относительная ошибка в продольном разнесении первого и третьего приемников, δD - абсолютная.where δs = δD / D is the relative error in the longitudinal separation of the first and third receivers, δD is absolute.

Однако при измерении разности фаз целое число периодов n не фиксируется и для его определения используется специальная процедура, заключающаяся в следующем. Величина α умножается на D/d и результат приравнивается к β+2πn: α·(D/d)=β+2πn, откуда определяется ближайшее к целому значению n:However, when measuring the phase difference, the integer number of periods n is not fixed and a special procedure is used to determine it, which consists in the following. The value of α is multiplied by D / d and the result is equal to β + 2πn: α · (D / d) = β + 2πn, whence the nearest to the integer value of n is determined:

Figure 00000012
Figure 00000012

При этом среднеквадратичное отклонение оценки n от истинного значения при D>>d с учетом некоррелированности рассматриваемых погрешностей равно:In this case, the standard deviation of the estimate n from the true value for D >> d taking into account the uncorrelatedness of the considered errors is equal to:

Figure 00000013
Figure 00000013

Отсюда следует, что максимальное отношение D/d при заданном δnc равно:It follows that the maximum D / d ratio for a given δn c is:

Figure 00000014
Figure 00000014

Очевидно, что определение значения п по данному алгоритму возможно при условии Δn€[-1,2; 1,2], которое выполняется при |δn|<(1/2)/3=1/6 с 99.7% вероятностью. Следовательно, при обеспечении 99.7% надежности максимально возможное значение δnc равно 1/6. В частности, для калиброванной системы (δσ=0) при q=10 имеемObviously, determining the value of n by this algorithm is possible provided Δn € [-1,2; 1,2], which is performed for | δn | <(1/2) / 3 = 1/6 with a 99.7% probability. Therefore, while providing 99.7% reliability, the maximum possible value of δn c is 1/6. In particular, for a calibrated system (δσ = 0) for q = 10, we have

(D/d)max=7.4. Для некалиброванной системы δσ=0.1 при q=10 и α=π имеем (D/d)max=3.(D / d) max = 7.4. For a non-calibrated system, δσ = 0.1 for q = 10 and α = π, we have (D / d) max = 3.

Для дальнейшего повышения точности пеленга можно использовать четвертый приемник, расположенный на оси с имеющимися и образующий с первым пару с разнесением L>D>d. Если γ+2πm - разность фаз первого и четвертого приемников (-π/2<γ<π/2 m - целое), то пеленг и его погрешность определяются формулами:To further improve the accuracy of the bearing, you can use the fourth receiver, located on the axis with the existing ones and forming with the first pair with a spacing L> D> d. If γ + 2πm is the phase difference of the first and fourth receivers (-π / 2 <γ <π / 2 m is an integer), then the bearing and its error are determined by the formulas:

Figure 00000015
,
Figure 00000016
Figure 00000015
,
Figure 00000016

где δl=δL/L - относительная ошибка в продольном разнесении первого и четвертого приемников, δL - абсолютная.where δl = δL / L is the relative error in the longitudinal separation of the first and fourth receivers, δL is absolute.

Как и выше, при измерении разности фаз целое число периодов m не фиксируется и для его определения используется специальная процедура, заключающаяся в следующем. Величина β+2πn умножается на L/D и результат приравнивается к γ+2πm: (β+2πn)·(L/D)=γ+2πm, откуда определяется ближайшее к целому значению m:As above, when measuring the phase difference, the integer number of periods m is not fixed and a special procedure is used to determine it, which consists in the following. The quantity β + 2πn is multiplied by L / D and the result is equal to γ + 2πm: (β + 2πn) · (L / D) = γ + 2πm, whence the nearest value to the integer m is determined:

Figure 00000017
Figure 00000017

При этом среднеквадратичное отклонение оценки m от истинного значения при δn=0 и L>>D с учетом некоррелированности рассматриваемых погрешностей равно:Moreover, the standard deviation of the estimate of m from the true value for δn = 0 and L >> D, taking into account the uncorrelatedness of the considered errors, is equal to:

Figure 00000018
Figure 00000018

где Δδ=δD/d. Отсюда следует, что максимальное отношение L/D при заданном δmc равно:where Δδ = δD / d. It follows that the maximum L / D ratio for a given δm c is:

Figure 00000019
Figure 00000019

Очевидно, что определение значения m по данному алгоритму при δn=0 возможно при условии Δn€[-1,2; 1,2], которое выполняется при |δm|<(1/2)/3=1/6 с 99.7% вероятностью. Следовательно, при обеспечении 99.7% надежности максимально возможное значение δmc равно 1/6. Вероятность определения m с учетом флуктуации n очевидно равна (0.997)2×l00%=99.4%. В частности, для калиброванной системы (δΔ=0) при q=10 имеем (L/D)max=7.4. Для некалиброванной системы с δΔ=0.1 при q=10 и α=π имеем (L/D)max=3. Таким образом, для некалиброванной системы (L/d)max=9.Obviously, determining the value of m using this algorithm for δn = 0 is possible provided Δn € [-1,2; 1,2], which is performed at | δ m | <(1/2) / 3 = 1/6 with a 99.7% probability. Therefore, with 99.7% reliability, the maximum possible value of δm c is 1/6. The probability of determining m taking into account fluctuations of n is obviously equal to (0.997) 2 × l00% = 99.4%. In particular, for a calibrated system (δΔ = 0) with q = 10, we have (L / D) max = 7.4. For a non-calibrated system with δΔ = 0.1 for q = 10 and α = π, we have (L / D) max = 3. Thus, for a non-calibrated system (L / d) max = 9.

Заявляемая гидроакустическая навигационная система в новой совокупности существенных признаков является новой, обладает изобретательским уровнем, т.е. она явным образом не следует из уровня техники и по своим характеристикам превосходит известные навигационные системы. Совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.The inventive sonar navigation system in a new set of essential features is new, has an inventive step, i.e. it clearly does not follow from the prior art and in its characteristics surpasses known navigation systems. The set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result.

В заявляемой гидроакустической навигационной системе повышение точности и надежности определения координат обеспечивается за счет пространственного разнесения гидрофонов на максимальное технически допустимое расстояние с формированием диаграммы направленности, близкой к равномерной в активном пространстве. При этом крайние гидрофоны в каждой линейке используются для точного измерения компонент направления прихода акустической волны, а центральная часть массива гидрофонов - для исключения ошибки на целое число длин волн при измерении полной разности фаз между крайними гидрофонами.In the inventive sonar navigation system, increasing the accuracy and reliability of determining coordinates is ensured by the spatial separation of hydrophones to the maximum technically permissible distance with the formation of a radiation pattern that is close to uniform in active space. In this case, the extreme hydrophones in each line are used to accurately measure the components of the direction of arrival of the acoustic wave, and the central part of the array of hydrophones is used to eliminate errors on an integer number of wavelengths when measuring the total phase difference between the extreme hydrophones.

Промышленная применимость заявляемого технического решения обеспечивается применением серийно выпускаемых основных узлов и элементов.Industrial applicability of the proposed technical solution is provided by the use of commercially available basic components and elements.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU №2084924.1. Patent RU No. 2084924.

2. Патент RU №2084923.2. Patent RU No. 2084923.

3. Патент RU №2289149.3. Patent RU No. 2289149.

4. Патент RU №34020U.4. Patent RU No. 34020U.

5. Патент RU №2158431.5. Patent RU No. 2158431.

6. Патент RU №2308454.6. Patent RU No. 2308454.

7. Патент RU №203 8127.7. Patent RU No. 203 8127.

8. Авторское свидетельство SU №713278.8. Copyright certificate SU No. 713278.

9. Патент RU №2365939.9. Patent RU No. 2365939.

10. Патент RU №2371738.10. Patent RU No. 2371738.

Claims (1)

Гидроакустическая навигационная система, содержащая навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенный на объекте навигации гидроакустический приемопередатчик, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками, приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов, установленных на линейном несущем кронштейне, выполненном перфорированным, антенны приемников размещены на стальной пластине, по крайней мере, один из М гидроакустических приемоответчиков установлен на водной поверхности, отличающаяся тем, что приемная гидроакустичекая антенна включает еще девять гидрофонов при формировании из приемников двух навигационных баз с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы Х направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо, в отличие от прототипа каждая навигационная база сформирована из семи гидрофонов, один из которых является общим для обеих навигационных баз, на равных расстояниях от которого размещены по два гидрофона, образующие общую центральную часть навигационных баз, состоящую из девяти гидрофонов, при этом крайние гидрофоны каждой из навигационных баз смещены относительно общей центральной части навигационной базы на расстояние, превышающее расстояние между гидрофонами, образующими общую центральную часть навигационных баз, на линейном несущем кронштейне дополнительно установлены датчик определения скорости звука, датчик гидродинамического давления и инерциальный датчик, каждый из М гидроакустических приемоответчиков состоит из подводного и надводного модуля, соединенных кабель-тросом с датчиками наклона и длины вытравленного троса, надводный модуль снабжен каналом спутниковой радиосвязи. A hydro-acoustic navigation system containing a navigation base of M hydro-acoustic transponders with different response frequencies and a hydro-acoustic transceiver located on the navigation object, by which time propagation intervals of signals are measured with their subsequent conversion in the distance between the underwater object and hydro-acoustic transponders, the receiving hydro-acoustic antenna consists of four hydrophones mounted on a linear support bracket made of perforator The receiver antennas are placed on a steel plate, at least one of the M hydroacoustic transponders is installed on the water surface, characterized in that the receiving hydroacoustic antenna includes nine more hydrophones when two navigation bases with a common base center are formed from the receivers, placing them in the plane parallel to the plane of the deck of the underwater object, while the axis of one base X is directed along the axial line of the underwater object, and the axis of the other base Y is directed along the beam to the right, unlike Each navigation base is composed of seven hydrophones, one of which is common for both navigation bases, at equal distances from which two hydrophones are located, forming the common central part of the navigation bases, consisting of nine hydrophones, with the extreme hydrophones of each navigation base shifted relative to the common central part of the navigation base by a distance exceeding the distance between the hydrophones forming the common central part of the navigation base, on a linear support bracket tively installed sensor determining the sound velocity, hydrodynamic pressure sensor and an inertial sensor, each of the M hydroacoustic transponders includes subsea and surface module, a cable-connected cable length and inclination sensors etched rope surface module is provided with a channel of satellite radio.
RU2011111037/28A 2011-03-23 2011-03-23 Hydroacoustic navigation system RU2463624C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011111037/28A RU2463624C1 (en) 2011-03-23 2011-03-23 Hydroacoustic navigation system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011111037/28A RU2463624C1 (en) 2011-03-23 2011-03-23 Hydroacoustic navigation system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2463624C1 true RU2463624C1 (en) 2012-10-10

Family

ID=47079687

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011111037/28A RU2463624C1 (en) 2011-03-23 2011-03-23 Hydroacoustic navigation system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2463624C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2596244C1 (en) * 2015-08-10 2016-09-10 Армен Ованесович Кочаров Arctic underwater navigation system for driving and navigation support of water surface and underwater objects of navigation in constrained conditions of navigation
RU2714539C1 (en) * 2018-11-28 2020-02-18 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of navigation support of autonomous unmanned underwater vehicles
CN113671442A (en) * 2021-07-30 2021-11-19 青岛海纳水下信息技术有限公司 Underwater unmanned cluster navigation positioning method based on vector hydrophone technology
RU2819199C1 (en) * 2023-11-17 2024-05-15 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Method for navigation support of a group of specialized underwater vehicles performing a common mission in a shallow water area

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4229809A (en) * 1979-01-29 1980-10-21 Sperry Corporation Acoustic under sea position measurement system
US4758997A (en) * 1986-08-25 1988-07-19 Hydroacoustics Inc. Method and apparatus for the generation and transmission of signals for echo location and other signaling purposes, particularly in geophysical exploration
RU713278C (en) * 1978-04-03 1994-09-15 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Hydraulic-acoustic synchronous navigation rho-rho system
RU2101730C1 (en) * 1996-07-23 1998-01-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Process of distance measurement and device for its implementation
RU34020U1 (en) * 2003-06-24 2003-11-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и проектный институт геофизических методов разведки океана" Hydroacoustic navigation system with guided transponder beacons
RU2308054C2 (en) * 2005-11-21 2007-10-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic synchronous long-range navigation system
RU2353949C1 (en) * 2007-09-13 2009-04-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic synchronous distance-measuring navigation long-range system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU713278C (en) * 1978-04-03 1994-09-15 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Hydraulic-acoustic synchronous navigation rho-rho system
US4229809A (en) * 1979-01-29 1980-10-21 Sperry Corporation Acoustic under sea position measurement system
US4758997A (en) * 1986-08-25 1988-07-19 Hydroacoustics Inc. Method and apparatus for the generation and transmission of signals for echo location and other signaling purposes, particularly in geophysical exploration
RU2101730C1 (en) * 1996-07-23 1998-01-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Process of distance measurement and device for its implementation
RU34020U1 (en) * 2003-06-24 2003-11-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский и проектный институт геофизических методов разведки океана" Hydroacoustic navigation system with guided transponder beacons
RU2308054C2 (en) * 2005-11-21 2007-10-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic synchronous long-range navigation system
RU2353949C1 (en) * 2007-09-13 2009-04-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic synchronous distance-measuring navigation long-range system

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2596244C1 (en) * 2015-08-10 2016-09-10 Армен Ованесович Кочаров Arctic underwater navigation system for driving and navigation support of water surface and underwater objects of navigation in constrained conditions of navigation
RU2714539C1 (en) * 2018-11-28 2020-02-18 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of navigation support of autonomous unmanned underwater vehicles
CN113671442A (en) * 2021-07-30 2021-11-19 青岛海纳水下信息技术有限公司 Underwater unmanned cluster navigation positioning method based on vector hydrophone technology
RU2819199C1 (en) * 2023-11-17 2024-05-15 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Method for navigation support of a group of specialized underwater vehicles performing a common mission in a shallow water area

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2456634C1 (en) Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system
RU2483326C2 (en) Hydroacoustic synchronous range-finding navigation system for positioning underwater objects in navigation field of randomly arranged hydroacoustic transponder beacons
US8514659B2 (en) Multi-state beamforming array
CN110703203A (en) Underwater pulsed sound positioning system based on multi-acoustic wave glider
CN107664758B (en) Deep sea navigation positioning system and method based on long baseline or ultra-short baseline networking
CN110294080B (en) Method for realizing underwater accurate operation by using ultra-short baseline
RU115929U1 (en) HYDROACOUSTIC COMPLEX FOR REMOTE MONITORING OF HYDROPHYSICAL PARAMETERS IN SHALLOW WATER AQUATORIES
RU2674404C1 (en) Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation
CN102081170A (en) Submarine cable secondary positioning method based on integrated positioning of acoustic long baseline and ultrashort baseline
RU2451300C1 (en) Hydroacoustic navigation system
Hodgkiss et al. Direct measurement and matched-field inversion approaches to array shape estimation
RU2608301C2 (en) System and method for 3d examination of sea bottom for engineering survey
RU2463624C1 (en) Hydroacoustic navigation system
JP6207817B2 (en) Underwater position-related information acquisition system
RU75062U1 (en) DOPPLER LOCATION SYSTEM
RU2350983C2 (en) Method for determination of object submersion depth
RU2009110869A (en) METHOD FOR DETERMINING AMENDMENTS TO DEPTHS, MEASURED BY A SHOCKFINDER WHEN TAKING A BOTTOM RELIEF, AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2691217C1 (en) Method of positioning underwater objects
RU2529207C1 (en) Navigation system for towed underwater vehicle
RU2279696C1 (en) Naval polarization seismic prospecting method
CN104111349A (en) Doppler velometer
KR100971079B1 (en) Noise measurement using GPS
RU2529626C2 (en) Apparatus for determining corrections to depth measured by echo sounder when mapping bottom topography of water area
RU2376612C1 (en) Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end
RU2484499C1 (en) Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method