Разработка методов повышения точности гидроакустических систем подводной навигации

В последние годы большим спросом стали пользоваться подводные работы с использованием систем подводной гидроакустической навигации (СПГН). Данные системы широко применяются при поиске углеводородов, находящихся на морском дне, укладке подводных трубопроводов, обследовании подводной части нефтедобывающих платформ, поиске и исследованию затопленных морских судов и.т.д. Интенсивность таких работ все время возрастает, охватывая уже не только мелководные, но и глубоководные районы мирового океана. И если на мелководье часто достаточно информации, полученной, например, при буксировке гидролокатора бокового обзора, то в более глубоких водах, оказалось необходимой более точная информация о положении подводного аппарата (ПА), проводящего работы. Именно для этих целей и используются системы подводной гидроакустической навигации. СПГН используются, как для определения координат неподвижного ПА, находящегося на морском дне, так и для определения координат движущегося ПА. Причем, требования к точности СПГН неуклонно повышаются, ввиду повышения точности, решаемых с помощью них задач. В последние годы СПГН активно используются для определения координат автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) [1−5]- «подводных роботов, эффективных в особенности при работе на больших глубинах. В ряде стран создано значительное число аппаратов данного типа, предназначенных для поиска объектов, съемки рельефа дна, геологоразведки, научных исследований и решения широкого круга военных задач"[1].

Как известно, системы подводной гидроакустической навигации условно разделяются на три категории:

1) системы с длинной базой (ДБ системы), длина базовой линии у которых достигает нескольких сотен метров;

2) системы с короткой базой (КБ системы), длина базовой линии у которых достигает нескольких метров;

3) системы со сверхкороткой базой (СКБ системы), длина базовой линии у которых менее метра.

Наиболее точными являются ДБ системы подводной навигации, главным недостатком которых является их дороговизна. КБ и СКБ системы подводной навигации считаются менее точными, хотя и менее дорогими, чем объясняется привлекательность их использования при подводных работах. Принцип действия различных типов СПГН описан в работах [6] и [7]. В настоящее время наибольшей популярностью пользуются ДБ и СКБ системы, а также системы, представляющие собой их комбинацию. В России комбинированные системы практически не используются.

Точность определения координат подводного аппарата (ПА) с использованием СПГН зависит, как от точности получения измерительных данных, так и от точности их дальнейшей математической обработки.

Если большинство работ в области подводной навигации посвящено проблемам развития измерительной техники, то направленность данной работы состоит в разработке методик и алгоритмов, которые повышают точность математической обработки результатов измерений.

Целью диссертационной работы является разработка методик и алгоритмов обработки гидроакустической информации в системах подводной навигации, позволяющих повысить их точность.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать метод одновременной калибровки нескольких глубоководных гидроакустических маяковответчиков.

2. Разработать методику корректировки координат подводных аппаратов, позволяющую повысить точность определения его местонахождения, на основе учета курса, крена и дифферента судна.

3. Оценить влияние эффекта Доплера на погрешность и разработать методику и алгоритмы повышения точности гидроакустических систем подводной навигации со сверхкороткой акустической базой на основе учета эффекта Доплера.

4. Разработать методику комплексной оценки влияния аппаратурных погрешностей на точность систем подводной гидроакустической навигации.

Методы исследования. Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на методах численного анализа и моделирования, матричном математическом аппарате и теории статистического оценивания.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Метод калибровки глубоководных гидроакустических донных маяковответчиков, образующих длиннобазисную акустическую систему подводной навигации, позволивший снизить ее погрешность и время калибровки.

2. Метод корректировки координат подводного аппарата, учитывающая элементы движения суднасопровождения.

3. Результаты анализа влияния эффекта Доплера на погрешность систем гидроакустической навигации со сверхкороткой акустической базой.

4. Метод корректировки координат подводного аппарата, определяемых сверхкоротко базисной системой гидроакустической навигации, учитывающий погрешности, вносимые эффектом Доплера.

5. Методика комплексной оценки влияния аппаратурных погрешностей на точность систем гидроакустической навигации.

Научная новизна результатов, полученных в гидроакустической навигации, учитывающая погрешности, диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработан метод калибровки донных маяков-ответчиков, позволяющий не фиксировать профиль движения судна при сборе данных и тем самым увеличить количество собираемой информации за меньшее число галсов.

2. Разработан алгоритм выбора акустической модели глубоководной среды, позволяющий увеличить точность калибровки донных маяковответчиков.

3. Разработана методика корректировки координат подводного аппарата на основе введения весовых коэффициентов в матричный алгоритм двумерной корректировки, позволяющая увеличить точность гидроакустической системы навигации более чем в два раза.

4. Разработан метод корректировки координат подводного аппарата с учетом курса, крена и дифферента судна. Приведено описание устройства, реализующего данный метод.

5. Проведен анализ влияния эффекта Доплера на погрешность систем гидроакустической навигации со сверхкороткой акустической базой, позволивший разработать новые алгоритмы: повышения точности систем навигацииопределения относительной скорости судна сопровождения и подводного аппаратаопределения длин акустических базовых линий при калибровке СКБ систем.

6. Разработана методика комплексной оценки влияния аппаратурных погрешностей на точность систем гидроакустической навигации. Данная методика позволяет по требуемой точности системы подводной навигации определить необходимые точности измерительных приборов, входящих в систему навигации.

Практическая ijeiwocmb результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

• разработан метод калибровки сети ДМО, который позволяет улучшить точность расчетов без увеличения точности измерительных приборов при существенном сокращении времени калибровки;

• показаны пути повышения точности работы гидроакустических СКВ систем за счет корректировки первоначально получаемых измерений;

• предложена оптимальная структура расчета погрешности СКВ систем, учитывающая взаимное положение судна и ПА;

• Предложена методика определения взаимной скорости судна и ПА с помощью СКВ системы.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке студентов в Таганрогском государственном радиотехническом университете, а также использованы: при исследовании и разработке системы гидроакустической подводной навигации в рамках НИР «Ветка», выполняемой НИИ «БРИЗ» (г. Таганрог) — в НИОКР, проводимых в НИПИокеангеофизика (г. Геленджик).

Апробаг{ия. Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры ЭГА и МТ Таганрогского государственного радиотехнического университета, а также на Хй школесеминаре акад. JT.M. Бреховских и на семинарах в НИПИокеангеофизика.

По результатам работы опубликовано 7 научных работ.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 184 страницах и включает 36 рисунков и 60 наименований отечественной и зарубежной литературы.

6.2 Выводы.

На основании вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:

1. Применение данного устройства позволяет математически строго решить задачу корректировки координат ПА с учетом курса, крена и дифферента судна.

2. Основным его отличием от ранее известных устройств, работающих на основании методов, приведенных в работах [6], [7], [8] является одновременный, а не последовательный учет курса, крена и дифферента судна.

3. В данном устройстве впервые использован блок вычисления пространственной ориентации, позволяющий определить вспомогательный угол т (см. рис. 3.6), необходимый для математической строгости расчетов.

4. В реальных условиях (с учетом погрешностей измерения) применение данного устройства позволит повысить точность определения местоположения объекта в 1.5 — 2.0 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подробные выводы по результатам диссертационной работы сделаны в конце каждой главы. Подводя общий итог диссертационной работы, можно сделать следующие выводы и заключения:

1. Разработан метод калибровки донных маяков-ответчиков, находящихся на глубинах превышающих 2^-3 км, позволяющий не фиксировать профиль судна при сборе данных и тем самым увеличить количество собираемой информации. При этом время калибровки на полигонах, где количество маяков превышает 10, снижается более чем в 2 раза. Разработан алгоритм выбора акустической модели водной среды, применимый для глубинного слоя.

2. Разработан метод корректировки координат судна с учетом его крена и дифферента, применяемый при работе с СКБ и КБ гидроакустическими системами подводной навигации. Данный метод позволил улучшить более чем на 50% точность корректировки за счет введения весовых коэффициентов. Предложена методика корректировки, использующая третью переменную. В качестве данной переменной может использоваться, как курсовой угол, так и дополнительный курсовой угол, возникающий вследствие качки судна. Применение данной методики позволяют математически строго решить задачу корректировки. Описано устройство, реализующее одну из моделей трехмерной корректировки.

3. Исследовано влияние эффекта Доплера при измерении разности фаз для СКБ систем подводной навигации. Было установлено, что в случае, когда проекция скорости элементов на направление прихода плоской волны.

С. — М превышает значение 5 — 7 —, относительные погрешности координат могут с принимать недопустимо большие значения (без учета погрешности измерений). Так, например, для СКБ систем с известной глубиной относительные погрешности горизонтальных координат могут превышать 4%, а для систем с известной наклонной дальностью относительная погрешность глубины может превышать 10%. На основании данного исследования созданы два метода корректировки измеренного значения разности фаз между элементами приемной антенны с учетом эффекта Доплера. Первый метод требует проведения дополнительных измерений, второй учитывает скорость и курс судна. При неподвижном относительно среды источнике это позволяет снизить погрешность определения разности фаз, связанную с эффектом Доплера практически до нуля, а при движущемся с неизвестной скоростью источнике более чем в два раза. На основании комбинации предлагаемых вариантов решены две прикладные задачи: оценена скорость, с которой ПА удаляется или приближается к суднуопределены длины базовых линий между элементами.

4. Разработана методика расчета погрешностей СКБ систем подводной навигации двух типов. Первый тип СКБ — системы с известной наклонной дальностью между судном и ПА, второй тип — системы с известной глубиной ПА. На основании данной методики можно оценить погрешности СКБ системы в зависимости от погрешностей измерительных приборов и взаимного расположения судна и ПА.

СКБ системы подводной навигации с известной наклонной дальностью рекомендуется при работе в ситуациях, в которых значение глубины ПА превышает горизонтальное расстояние между ПА и судном.

СКБ системы подводной навигации с известной глубиной также наиболее эффективны при малом по сравнению с глубиной горизонтальном расстоянии между ПА и судном.

По результатам проведенной научноисследовательской работы опубликовано 7 работ в различных научных сборниках. Некоторые результаты диссертационной работы включены в отчеты по хоздоговорным работам. Промежуточные результаты работы обсуждались на внутри вузовских научных конференциях и семинарах в научно исследовательских институтах.

По теме диссертации были опубликованы следующие основные научные работы:

1. Борисов А. А. О необходимости учета эффекта Доплера в системах подводной навигации со сверхкороткой базой. Известия ТРТУ 2004, 5, с 29−33.

2. Борисов А. А. Выбор глубоководной модели водной среды при вычислении глубины подводного объекта. Доклады Хй школысеминара акад. JI.M. Бреховских 2004, с 515−518.

3. Борисов А. А., Борисов С. А. Корректировка измеренных значений разности фаз между элементами приемной антенны в системах подводной навигации со сверхкороткой базой с учетом движения судна. «Нелинейная гидроакустика». Труды конференции, Таганрог, декабрь 2005 г. Ростов-на-дону: ООО «Ростиздат», 2006. с 57−61.

4. Борисов А. А., Котяшкин С. И., Черников В. Н. Способ и устройство коррекции координат в гидроакустической системы навигации. Патент на изобретение № 2 106 657. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 10 марта 1998 г.

5. Борисов А. А. Устройство коррекции крена и дифферента гидроакустической системы навигации. Свидетельство № 1529 на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 18 января 1996 г.

6. Борисов А. А. Устройство коррекции крена и дифферента гидроакустической навигационной системы. Свидетельство № 1755 на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 16 февраля 1996 г.

7. Борисов А. А., Котяшкин С. И. Устройство измерения фазы сверхдлинноволновых сигналов на подводном объекте. Свидетельство № 2310 на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 16 июня 1996 г.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, состоит в следующем: в работе [3] автор предложил метод корректировки и принял участие в выводе расчетных формулв работе [4] автором предложен способ корректировки координат Щ подводного аппарата и разработаны структурные схемы трех блоков, входящих в устройство коррекциив работе [7] автором разработана структурная схема устройства измерения фазы.