Гидроакустическая система навигации акустической системы донных маяков

(5)5 0 01 5 5/О апис ИЕ ИЗОБ ТЕН:.- к.",)1 ч ВИДЕТЕЛ ЬСТВ КО В Изобретен ческим навига о - к гидроа с стемам с ко роткои (СКБЛ) быть испольэо ного местопол чрского маяка встоположени или автономн судна обеспечеится к гидроакустисредствам, а именким навигационным БЛ) и (или) сверхкои линиями и можетопределения взаимудна и гидроакустие для определения дного буксируемого арата относительно ие относ ионным устичес откой (К базовым ано для жения с а такж я подвом из- нной маяков ые на чес кую и приапп СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР)( 1) Научно-исследовательский и проектныйнститут геофизических методов разведкикеана( 6) Бородин В. И, и др. Гидроакустическиеавигационные средства. Л.: Судостроение,1983, стр, 5 - 9, 121 - 122,Шашков Н. Л, и др. Развитие зарубежых гидроакустических навигационных и иследовательских систем. М.: 1987, стр. 47.форская геология и геофизика, обзор). 4) ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НАИГАЦИИ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОННЫХ МАЯКОВ 7) Изобретение относится к.области гидрокустики и может быть использовано для определения взаимного местоположения скудна гидроакустического маяка, а также рля определения подводного аппарата отосительно судна обеспечения в гидроакустических навигационных системах с короткой и сверхкороткой базами, Цель изо 1838797 бретения - повышение точности определения местоположения - достигается за счет измерения и учета пространственной ориентации системы гидроакустических антенн в процессе гидроакустической калибровки гидроакустической системы навигации. Дополнительно к установленным на судне приемным антеннам, датчику вертикальной ориентации судна, приемникам, опорному генератору, измерителям гидронавигационных параметров, вычитателям, схеме ввода данных о скорости звука, умножителям, преобразователям координат и индикатору местоположения гидроакустическая система навигации содержит переключатель режимов работы (калибровка - режим навигации) и измеритель пространственной ориентации приемных антенн. Измеритель пространственной ориентации аппаратуры реализует алгоритм вычисления углов, характеризующих пространственную ориентацию, т.е. осуществляет калибровку антенн гидроакустической системы навигации, а в режиме навигации преобразователь координат аппаратурно реализует алгоритм, вычисления относительно координат судна и подводного объекта. 1 с, и 3 з.п, ф-ль 1, 6 ил,Цель изобретения - повышениести определения местоположения путмере ния и учета пространствориентации системы трех приемныхакустических антенн.Указанная цель достигается темГСН АСМОД (Акустическая системадонных),. содержащую установленнподводном обьекте гидроакустическредатчик и передающую гидроакустиантенну, установленные на судне тр50 емные гидроакустические антенны и датчик вертикальной ориентации судна, а также размещенные на судне три приемника гидроакустических сигналов, опорный генератор, три измерителя гидронавигационных параметров, два вычитателя, схему ввода данных о скорости звука, два умножителя, преобразователь координат (ПК) и индикатор местоположения, причем выходы приемных антенн подключены к входам приемников, выходы приемников подключены к первым входам измерителей, выход опорного генератора подключен к вторым входам измерителей, выход первого измерителя подключен к первым входам вычитателей, выходы второго и третьего измерителей подключены к вторым входам вычигателей, выходы вычитателей подключены к первым входам умножителей, выход схемы ввода данных о скорости звука подключен к вторым входам умножителей, два выхода датчика вертикальной ориентации судна подключены к первой паре входов ПК, а два выхода ПК подключены к двум входам индикатора местоположения, введены переключатель и измеритель пространственной ориентации приемных антенн.Введенные в ГСН переключатель и измеритель пространственной ориентации (ИПО) являются существенными отличительными поизнэкэми изобретенияВведение новых узлов обусловливает введение новых связей, также являющихся существенными отличительными признаками: два входа переключателя подключены к выходам первого и второго умножителей, первая пара выходов переключателя подключена к второй паре входов ПК, вторая пара выходов переключателя подключена к паре входов ИПО, а пара выходов ИПО подключена к третьей паре входов ПК,Одним из основных существенных отличий предлагаемой ГСН является ИПО приемных антенн, Он содержит три регистра памяти, три устройства возведения в квадрат, два умножителя, два сумматора, устройство извлечения квадратного корня и два делителя. Первые входы первого и вто рого умножителей являются входами ИПО, вторые входы умножителей подключены к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого, второго и третьего регистров памяти подключены к соответствующим входам первого, второго и третьего устройств возведения в квадрат, выходы первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к первому и второму входам первого сумматора, первый и второй входы второго сумматора подключены соответственно к выходу первого сумматора и 5 10 15 20 25 30 35 40 45 выходу третьего устройства возведения в квадрат, выход второго сумматора подключен к входу устройства извлечения квадратного корня, первый и второй входы первого делителя подключены соответственно к выходам первого регистра памяти и первого умножителя, первый и второй входы второго делителя подключены соответственно к входам второго регистра памяти и второго ум-. ножителя. Выходы первого и второго делителей являются соответственно первым и вторым выходами ИПО.Введение новых блоков; переключателя и ИПО обусловливает и существенные отличия входящего в ГСН ПК. ПК заявляемой ГСН АСМОД содержит первый, второй: третий регистры памяти, первый, второй, третий и четвертый умножители, первое и второе устройства возведения в квадрат, сумматор, вычитатель, устройство извлечения квадратного корня, первый и второй делители, а также устройство коррекции крена и дифферента (УККД). Первый и второй входы УККД являются первой парой входов ПК, первые входы первого и второго умножителей являются второй парой входов ПК, входы первого и второго регистров памяти являются третьей парой входов ПК. Вторые входы первого и второго умножителей подключены к выходам первого и второго регистров памяти, выход первого умножителя подключен к входу первого устройства возведения в квадрат и первому входу третьего умножителя, выход второго умножителя подключен к входу второго устройства возведения в квадрат и к первому входу четвертого умножителя, выход третьего регистра памяти подключен к вторым входам третьего и четвертого умножителей и к третьему входу УККД, выходы первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к входам сумматора, выход сумматора подключен к входу вычитателя, выход.вычитателя подключен к устройству извлечения квадратного корня, выходы третьего и четвертого умножителей подключены соответственно к первым входам первого и второго делителей, вторые входы первого и второго делителей подключены к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого и второго делителей являются соответственно четвертым и пятым входами УККД, а два выхода УККД являются двумя выходами ПК.УККД содержит два параллельных канала обработки, каждый из которых включает последовательно соединенные делитель, устройство вычисления обратной тригонометрической функции агсщ, сумматор, устройство вычисления тригонометрическойфункции 19 и умножитель, Вторые входы сумматоров первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым входами устройства коррекции, вторые входы делителей и вторые входы умножителей объединены и являются третьим входом УККД, первые входы делителей первого и второго каналов являются соответственно четвертым и пятым входами УККД, а выходы ; умножителей первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым выходами УККД.На фиг. 1 представлена структурная схема ГСН АСМОД и показано положение системы координат Х, У, 2, связанной с судном при выполнении калибровки антенной системы ГСН и при определении взаимного местоположения судна и гидроакустического маяка. На фиг. 2 представлена структурная схема ИПО, на фиг. 3 - структурная схема ПК, на фиг. 4 - структурная схема УККД, На фиг, 5 представлена схема переключателя. На фиг. 6 показаны геометрические величины и координаты ГСН в системе координат Х, У, 2, связанной с судном.ГСН (фиг. 1) содержит установленные на подводном объекте гидроакустический передатчик 1 и передающую гидроакустическую антенну 2, установленные на судне три приемнь 1 е гидроакустические антенны 3, 4 и 5, причем первая приемная антенна 3 принята за центр системы координат ХУ 2, и датчик 6 вертикальной ориентации судна. а также размещенные на судне три приемника гидроакустических сигналов 7, 8 и 9, опорный генератор 10, три измерителя 11, 12 и 13 гидронавигационных параметров, два вычитателя 14 и 15, схему 16 ввода данных о скорости звука. два умножителя 17 и 18, ПК 19, индикатор местоположения 20, переключатель 21, ИПО приемных антенн 22. ИПО 22 (фиг. 2) содержит три регистра памяти 23. 24 и 25, три устройства 26, 27 и 28 возведения в квадрат, два умножителя 29 и 30, два сумматора 31 и 32, устройство 33 извлечения квадратного корня и два делителя 34 и 35, ПК 19(фиг. 3) содержит первый, второй и третий регистры памяти 36, 37 и 38, первый, второй, третий и четвертый умно- жители 39, 40, 41 и 42, первое и второе устройства 43 и 44 возведения в квадрат, сумматор 45, вычитатель 46, устройство 47 извлечения квадратного корня, первый и второй делители 48 и 49, а также УККД 50. УККД 50(фиг. 4) содержит два параллельных канала обработки, каждый из которых включает последовательно соединенные делитель 51 (56 - во втором канале), устройство 52 (57) вычисления функции агссд, сумматор 53 (58), устройство 54 (59) вычисления функции 19 и умножитель 55 (60).Работа ГСН включаетдваэтапа и заключается в следующем,5 На первом этапе производится калибровка антенной системы в процессе обработки гидроакустических данных приизвестных координатах Хм, Ум, 2 м=Н донного гидроакустического маяка и координатах10 Хс, Ус центра антенной системы, принятыхза центр системы координат, В этом режимепереключатель 21 на два положения и дванаправления (фиг. 5) соединяет выходы умножителей 17 и 18 с входами ИПО 22, Излу 15 чаемые антенной 2 гидроакустическиесигналы передатчика 1 принимаются установленными на судне приемными антеннами 3, 4, и 5. Антенна.З принимается эа центрсистемы координат Х, У, 2, связанной с суд 20 ном (фиг. 1, 6). Поскольку блок антенн 3, 4 и5 при первоначальной установке весьматрудно установить в плоскости, параллельной палубе судна, направления антенныхбаз а(3 - 4) и Ь(3-5) будут составлять с осями25 ОХ и ОУ некоторые углы 01 и Од (фиг. 1,6), ха ра ктеризующи е и растра нстве н нуюориентацию антенной системы относительно плоскости ОХУ, параллельной плоскостипалубы,30 Для ГСН и СКБЛ сдвиг фаэЬр и Ьрь сигналов, поступающих отприемных антенн 3, 4 и 3, 5 с базами а и Ьна входы приемников 7, 8 и 9 связан с углами Л и р между базовыми линиями а и Ь и35 направлением прихода гидроакустическогосигнала (фиг. 6) соотношениямиЬр, = К 1 созА/Со, (1)Ль = К 2соз/ /Сэв, (2)где К 1=2 л Гоа, К 2=2 л 1 оЬ, 1 о - несущая час 40 тата гидроакустического сигнала распространяющегося со скоростью звука Сзв.Поскольку в ГСН с КБЛ разность интервалов времени прихода сигнала от маякаописывается выражениями, аналогичными45 (1) и (2). дальнейшую работу ГСН будем рассматривать для фазовых измерений, С выходов приемников 7, 8 и 9 сигналы поступаютна измерители 11, 12 и 13 гидронааигационных параметров, которые измеряют их50 относительно опорного сигнала генератора 10. В ГСН с СКБЛ на выходе измерителей 11, 12 и 13 формируются сигналь 1(Рз - уог), (4 - уог), и Ь:5 - Рог) гдеЩз, у"4рь - фазы гидроакустических сигналов, принимаемых соответственноантеннами 3, 4 и 5: уъг - фаза сигнала опорного генератора. Сигналы(рз-дЪ), (р 4 - Ъг), и (уЪ - дъг), попарно поступают на входы вычитателей 14 и 15, 1838797Вычитатели вырабатывают сигналы (У 1 у 4) ЛРэ и Рэ - 15) = Лрь, которые поступают на первые входы умножителей 17 и 18, на вторые входы которых поступает сигнал Сэв со схемы 16 ввода данных о скорости звука. С выходов умножителей 17 и 18.сигналы созЛ=Сэв Луэа/К 1 и соз,й = СзвЛфь/К 2 поступдют на Входы переключателя 21 и, далее, на входы ИПО 22.ИПО 22 работает как специализированный вычислитель по аппаратурной реализации алгоритма вычисления значений соз 01 и соз 62, характеризующих пространственную ориентацию антенной системы 3. 4, 5 относительно плоскости ОХУ: соз 01 - , (3) созЛ (Х + У+Й)Умх (х 1.+х 1+х)Техническая реализация алгоритма (3), (4) ИПО 22 на основе типовых устройств цифровой вычислительной техники заключается в выполнении следующих простых математических операций. В регис 1 рах памяти 23, 24 и 25 хранятся значения координат Х, У, Н используемого для калибровки донного маяка. которые возводятся в квадрат соответственно устройствами 26, 27 и 28, Два псследова-;ельных сумматора 31 и 32 фор;:1 и.ма; величину (Х +У +Н), а с выхода2 2 2 ус; ройства 33 извлечения квадратного корня величина (Хч +Ум +Н ) поступает на2 1/2 входы умножителей 29 и 30, На другие вхо-. ды умножителей 29 и 30 поступают значеия созЛ и созе, с переключателя 21, и сформированные ими сигналы соз Л(Хм +У +Н ) и созр(Х +УМ 2+Н )поступают на вторые входы делителей 34 и 35, на первые входы которых подаются соо 1 ветственно сигналы Х и Ум с регистров 23, 24, Такимобразом, в режиме калибровки ИПО 22 вырабатывает сигналы соь 01 и оз 02, характеризующие пространственную ориентацию антенн 3, 4 и 5 и поступающие далее, на соответствующие входы ПК 19, где хранятся в регистрах памяти 36 и 37.Второй этап работы ГСН является основным (режим навигации) и представляет собой непосредственное определение взаимного местоположения судна и донного маяка (или судна и подводного аппарата). В этом режиме переключатель 21 соединяет входы ПК 19 с выходами умножителей 17 и 18, ПК 19 работает как специализированный вычислитель по аппаратурной реализации алгоритма вычисления координат Хо Уо. Н созЛсоз ОХо(б)Хранящиеся в регистрах памяти 36 и 37 зна чения соз 01 и соз %, перемножаются в.умножителях 39 и 40 с текущими измеренными значениями соз Я; и соз,и, (1 - номер последовательных гидроакустических измерений в режиме навигации), и далее, - в умно-.15 жителях 41 и 42 со значениями Н, поступающими из регистра памяти 38, .Сигналы соз Л 1 соз О и соз р сов (.Ъс выходов устройств 43 и 44 возведения в квадрат суммируются сумматором 45, Вычитатель 46 формирует сигнал (1 - .С 0 З 2 Л 1 соз 2 й - соз 2 р соз 2 ), а устройство 47 извлечения квадратногокорня - сигнал(1 - ссв Л 1 соз 01 - соз и соз О 2), 25 На входы делителей 48 и 49 поступаетпара сигналов Н созе соз 01 (1 - Соя Л 1 соз 01 - созр соз 2 О 2)и Н созе соз 92(1 - С 0 3 Л 1 с о ь 01 - с о 3,д с о 3 йг)1/2, и з которых формируются значения координат Хю и Уо в соответствии с выражениями (5) и (6).Значения вычисленных координатХы и 35 Уы поступают на 4-й и 5-й входы УККД 50, вкотором производится коррекция крена у и дифферента )1, измеренных датчиком б вертикальной ориентации судна, согласно алгоритму:40 Хц=Нтд(агс 19 Хы/Н+ ), (7)У 1=Н 19(агс 19 Уо/Н+ у ) . ; (8)УККД может быть реализован на основе типовых устройств вычислительной техники и в двух параллельных каналах выполняет 45 следующие операции; деление Хо/Н иУы/Н в делителях 51 и 56, выполнение фунХо . Уокций агстд - и агстд устройствами 52 иН Н57, суммирование сигналов в сумматорах 53 50 и 58, вычисление функции тд устройствами54 и 59 и формирование исправленных координат Хп, Уя в умножителях 55 и 60, Значения вычисленных координат Х 1 ь У 1 с выходов УККД 50, являющихся и выходами 55 ПК 19, поступают на индикатор 20.Таким образом, в режиме калибровкиИПО в соответствии с алгоритмом (3), (4) измеряет значения углов, образуемых приемными базами антенн с осями координат 1838797ной системы, связанной с судном, а в режи- выхода датчика вертикальной ориентации ме навигации ПК и УККД, выполненные в судна подключены х первой паре входов видереализующемалгоритмы(5),(б)и(7),(8), преобразователя координат, а два выхода по измерениям направлений прихода гид- . преобразователя координат - к двух входам роакустического сигнала с учетом измерен индикатора местоположения, о т л и ч а юной при калибровке ориентации антенн щ а я с я тем, что, с целью повышения точвычисляют относительные координаты суд- ности определения местоположения путем ,на. и подводного объекта. измерения и учета прострайственной ориПредложенная ГСН АСМОД с измерите- ентации системы трех приемных гидроакулем пространственной ориентации блока 10 стических антенн, в нее введены приемных антенн поэволяетисключитьсис- переключатель и измеритель пространсттематические погрешности, возникающие венной ориентации приемных антенн, припри повторных установках блока в рабочее чем два входа переключателя подключены к положение после морских переходов или выходам первого и второгоумножителей демонтажа антенны для необходимого ре первая пара выходов переключателя - к втомонта, Исключаются также погрешности из- рой паре входов преобразователей коордис, эа смещения фазевых центров антенн нат, вторая пара выходов переключателей - тносительно их геометрических центров, к паре входов измерителя пространственрудоемкий (в основном, ручной) и слож- ной ориентации приемных антенн, а пара ый процесс торировки антенн системы 20 выходов измерителя пространственнойСН во время стоянки судов в сухих доках ориентации приемных антенн - к третьей заменяется в предложенной ГСН нетрудо- паре входов преобразователя координат. мкой, эффективной и точной гидроакусти. Система по и. 1, о т л и ч а ю щ а я с.я еской калибровкой антенной системы, тем, что измеритель пространственной ориоэволяющей получить значения точности 25 ентации приемных антенн выполнен в виде СН такого типа, близкие к потенциальным,. трех регистров памяти, трех устройств воз- Ф о р м у л а и зо б р е т е н и я ведения в квадрат, двух умножителей, двух 1. Гидроакустическая система навига- сумматоров, устройства извлечения квадии акустической системы донных маяков, ратного корня и двух сумматоров, устройстодержащая установленные на подводном 30 ва извлечения квадратного корня и двух бъекте гидроакустический передатчик и делителей, причем первые входы первого и ередающую гидроакустическую антенну, . второго умножителей являются входами изустановленные на судне три приемные гид- мерителя пространственной ориентацииоакустические антенны и датчик верти- приемных антенн, вторые входы умножите,кальной ориентации судна, а также 35 лей подключены к выходуустройства извлеазмещенные на судне три приемника гид- чения квадратного корня, выходы первого, оакустических сигналов, опорный генера- второго и третьего регистров памяти под 1 ор, три измерителя гидронавигационных ключены к соответствующим входам первопараметров, два вычитателя, схему ввода го,второгоитретьегоустройстввозведения Данных о скорости звука, два умножителя, 40 в квадрат, выходы первого и второго устПреобразователь координат и индикатор ройств возведения в квадрат подключены к местоположения, причем выходы приемных первому и второму входам первого сумматолидроакустических антенн подключены к ра, первый и второй входы второго сумматоЦходам приемников гидроакустических сиг- . ра и третьего устройства возведения в Налов, выходы приемников гидроакустиче квадрат, выход второго сумматора подклюбких сигналов подключены к первым входам чен к входу устройства извлечения квадрат- измерителей гидронавигационных пара- ного корня, первый и второй входы первого метров, выход опорного генератора - к вто- делителя подключены соответствено к выДым входам измерителей ходам первого регистра памяти и первого. гИдронавигационных параметров, выход .50 умножителя, первый и второй входы второгопервого измерителя гидронавигационных делителя подключены соответственно к вы-. гараметров по сигналам первой приемной ходам второго регистра памяти и второго гидроакустической антенны, принятой эа: умножителя, а выходы первого и второго центр системы координат, подключен к пер- делителей являются соответственно первм входам вычитателей, выходы второго и 55 вым и вторым выходами измерителя протетьего измерителей гидронавигационных странственной ориентации приемных параметров - .к вторым входам вычитателей, антенн, входы вычитателейк первым входам ум, Система по и, 1, о т л и ч а ю щ а я с я нржителей, выход схемы данных о скорости тем, что преобразователь координат выползрука - к вторым входам умножителей, два нен в виде первого, второго и третьего реги1838797 Фиг.1 строе памяти, первого - четвертого умножителей, первого и второго устройств возведения в квадрат, сумматора, вычитателя, устройства извлечения квадратного корня, первого и второго делителей, а также устройство коррекции крена и дифферента, причем первый и второй входы устройства коррекции крена и дифферента являются первой парой входов преобразователя координат, первые входы первого и второго умножителей - второй парой входов преобразователя координат, входы первого и второго регистров памяти - третьей парой входов преобразователя координат, вторые входы первого и второго умножителей подключены к выходам первого и второго регистров памяти, выход первого умножителя подключен к входу первого устройства возведения в квадрат и к первому входу третьего умножителя, выход второго умно- жителя - к входу второго устройства возведения в квэдрат и к первому входу четвертого умножителя, выход третьего регистра памяти подключен к вторым входам третьего и четвертого умножителя и к третьеглу входу устройства коррекции крена и дифферента, выхода первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к входам суммэтора, выходсумматора - к входу вь читателя, выход которого подключен к уст.;ойству извлечения квадратного корня, выходы третьего и четвертого умножителей подключены соответственно к первым еходам первого и второго делителей, вторые входы первого и второго делителей - к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого и второго делителей 5 являются соответственно четвертым и пятым входами устройства коррекции крена и дифферента, а два выхода устройства коррекции крвна и дифферента являются двумя выходами преобразователя координат.10 4. Система по пп. 1 и 3, о т л и ч а ющ а я с я тем, что устройство коррекции крена и дифферента выполнено в виде двух параллельных каналов обработки, каждый 15 из которых включает е себя последовательно соединенные делитель, устройство вычисления обратной тригонометрической функции агс 19, сумматор, устройство вычисления тригонометрической функции тд и ум ножитель, причем вторые входысумматоров первого и второго каналов является соответственно первым и вторым входами устройства коррекции, вторые входы делителей и вторые входы умножителей 25 обьединены и являются третьим входом устройства коррекции, первые входы делителей первого и второго каналов являются соответственно четвертым и пятым входами устройства коррекции, а выходы умно жителей первого и второго каналовявляются соответственно первым и вторым выходами устройства коррекции крена и дифферента, 18387971838797 оставитель С, Котяшкиехред М.Моргентал орректор А. Козориз Редакт улакова роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 2924 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5