Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА НАВИГАЦИОННЬГХ СИГНАЛОВ
УЛЬТРАКОРОТКОБАЗИСНЫМИ СИСТЕМАМИ. 28
1.1. Постановка задачи разработки гидроакустического навигационного
комплекса. 28
Опыт ИПМТ в разработке дальномерных навигационных систем. 28
Задачи разработки ГАНС-УКБ. 31
1.2. Амплитудные методы определения угломерной информации
малогабаритными (ультракороткобазисными) антеннами. 34
Линейная эквидистантная антенна. 3 5
Круговая эквидистантная антенна. 3 6
Потенциальная точность амплитудных пеленгаторов. 37
1.3. Об измерении сдвига фаз между двумя тональными сигналами,
искаженными шумом. 40
1.4. Расчетные формулы фазового пеленгования в системах с антеннами
простой конфигурации. 44
Двухэлементный приемник. 44
Четырехэлементный приемник. 46
Шестиканальный фазовый пеленгатор. 47
1.5. Способ пеленгования источника навигационных сигналов с
использованием круговых дискретных антенн с большим числом
элементов. 51
Вывод расчетных формул и оценка погрешности УКБ-пеленгатора с круговой базой. 51
Алгоритмы пеленгования для пеленгатора с круговой базой с учетом изменения угловой ориентации антенны. 55
1.6. Выводы. 57
ГЛАВА 2. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С
УЛЬТРАКОРОТКОЙ БАЗОЙ. 59
Решение задачи пеленгования на основе статистических методов обработки. 60
Уравнения пеленгования для многоэлементных антенн различной конфигурации. 67
Линейная многоэлементная антенна. 68
Антенна с произвольным числом элементов на круговой базе. 70
Четырехэлементная антенна. 71
Круговая антенна с дополнительным элементом в центре. 73
Двухшкальная антенна. 74
Выводы. 78
Особенности обработки многочастотного навигационного сигнала. 80
Конфигурация антенны и оценка потенциальной точности. 84
Антенны с полуволновым расстоянием между элементами. 85
Разреженные антенны. 86
Выбор сектора обзора на основе фазирования антенны. 88
2.5. Выводы. 94
ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ
СИСТЕМ С УЛЬТРАКОРОТКОЙ БАЗОЙ. 96
3.1. Оценка систематической составляющей погрешности определения
пеленга. 99
Фазовая функция несовершенной многоэлементной приемной антенны. 99
Разработка оборудования для метрологической аттестации приемных многоэлементных антенн. 104
Экспериментальные исследования точности антенн в лабораторных условиях. 106
3.2. Оценки точности широкополосного пеленгатора (исследование
характеристик антенны для обработки многочастотного навигационного
сигнала). 115
3.3. Экспериментальные исследования основных характеристик
ультракороткобазиснои навигационной системы в условиях мелкого моря. 120
Методика аттестации системы методом сравнения с данными аттестованной навигационной системы (на примере ГАНС-ДБ). 120
Методика оценки точности угловых измерений по дальномерным данным. 121
Метод градуировки ультракороткобазиснои навигационной системы в натурных условиях с использованием опорного маяка-ответчика. 126
Метрологическое обоснование градуировки ультракороткобазиснои навигационной системы по данным ГАНС ДБ и GPS. 129
Оценка метрологических характеристик ГАНС-УКБ в условиях глубокого моря. 132
Выводы. 144 ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ПОДВОДНОГО АППАРАТА. 146 4.1. Общий подход к оценке основных параметров ГАСС для АНПА. 146
Общие сведения. 146
О структуре информационного символа. 148
О синхронизации. 150
О выборе импульса для оценки характеристик канала связи. 150
Обработка блока данных. 152
Численное моделирование канала связи. 153 4.2.0 разработке широкополосных пьезопреобразователей и антенн для ГАСС. 157
4.2.1. Широкополосные цилиндрические пьезопреобразователи. 158
4.2.2. Цилиндрические пьезопреобразователи с управляемыми
характеристиками 160
4.2.3. Широкополосные пьезопреобразователи поршневого типа. 162
4.2.4. Об электрическом согласовании пьезопреобразователей в широкой полосе
частот. 163
Об энергетической эффективности широкополосных преобразователей. 164
Характеристики разработанных антенн. 166
4.3. Многоэлементный приемник сигналов ГАСС с адаптивным управлением
ХН по данным пеленгатора навигационной системы. 169
Обработка данных. 169
Характеристики антенны УКБ при приеме сигналов системы связи. 172
4.4. Экспериментальное исследование некогерентной многочастотной
системы связи с амплитудной коррекцией передаточной характеристики
канала. 175
Алгоритм обработки многочастотного сигнала. 176
Структурная схема системы связи. 178
Экспериментальные исследования элементов системы гидроакустической связи в условиях мелкого моря. 180
4.5. Выводы. 186
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ДОПЛЕРОВСКОГО ЛАГА В СОСТАВЕ
БОРТОВОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО
АППАРАТА. 188
Антенны. 188
Спектральная обработка коротких импульсных сигналов. 192
Структура и схемотехника. 197
Натурные исследования характеристик лага в составе АНПА. 200
Выводы. 205 ГЛАВА 6. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАВИГАЦИИ ПОДВОДНОГО РОБОТА. 207 6.1. Техническая реализация гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой. 207
Структурная схема ГАНС-УКБ. 208
Особенности построения аппаратных средств. 211
Приемная антенна навигационной системы. 213
Обработка данных. 216
Интерфейс пользователя. 218
Программное обеспечение. 220
Натурные испытания и практическая эксплуатация ГАНС-УКБ. 220
6.2. Технические характеристики комплекта аппаратуры ГАСС. 223
Основные характеристики. 223
Принцип работы. 224
Структурная схема приемника. 224
Структура сигнала ГАСС. 226
Результаты морских испытаний в глубоком море. 227
6.3. Гидроакустический навигационный комплекс. 232
Состав и назначение судового навигационного комплекса. 232
Технические предложения на разработку комбинированной системы навигации и управления. 235
6.4. Комплексные испытания гидроакустических средств навигации и опыт
их применения при проведении реальных работ. 240
Комплексные испытания средств навигации. 240
Опыт практического применения гидроакустических средств навигации при проведении реальных поисковых работ. 241
6.5. Выводы. 244
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 247
ЛИТЕРАТУРА 254
Введение к работе
ИПМТ ДВО РАН является одним из признанных мировых лидеров в разработке и практическом использовании автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) [1-2]. За последние 25лет АНПА Института принимали активное участие в проведении многих известных морских операций по поиску и обследованию затонувших объектов в различных районах Мирового океана. По свидетельству комиссии Мирового центра развития технологий (WTEC) в 1996 году опыт ИПМТ в разработке и практическом использовании АНПА превосходил опыт аналогичных программ США вместе взятых [3]. Успешному выполнению реальных работ способствовало наличие в составе АНПА различных гидроакустических средств, обеспечивающих навигацию, управление, телеметрию, поисковые и обзорные системы [4-5]. Все эти годы одной из важнейших задач была задача разработки и развития средств навигации, обеспечивающих как безопасную эксплуатацию аппарата, так и наиболее эффективное его использование. Как отмечает журнал «Sea Technology» навигация - ключевой фактор эффективности АНПА [6]. В комплексе навигационных средств гидроакустические средства навигации и управления занимают особое положение в силу специфики работы самого аппарата. Основное назначение этих систем - обеспечивать точное определение местоположения аппарата, управление ходом выполнения работ и контроль состояния АНПА с борта обеспечивающего судна (ОС), решение задачи текущего навигационного обеспечения на борту самого АНПА [7-8]. Опыт работы при проведении реальных операций показывает, что средства навигации и управления целесообразно объединить в рамках единого комплекта оборудования с расширением объема оперативной информации о ходе выполнения миссии путем передачи данных о высоте, глубине, скорости, курсе АНПА, кадров изображений телевизионной и ГБО -съемки. Исторически первыми были разработаны гидроакустические навигационные системы (ГАНС) различного типа [9-14]. ГАНС предназначена для определения местоположения АНПА либо в относительной системе координат, связанной с донными маяками -ответчиками, либо в абсолютной, географической.
По принципу действия навигационные системы разделяют на системы с длинной базой, основанные на измерении дальностей до объекта навигации от системы опорных точек (маяков-ответчиков), и системы с ультракороткой базой в которых решение навигационной задачи состоит в определении из одной точки дальности, азимута и угла места с использованием дальномерных и угломерных данных. Наибольшей универсальностью применительно к глубоководным подводным аппаратам с большой автономностью и дальностью действия обладают навигационные комплексы, содержащие комплексированные системы в составе ГАНС с длинной базой (ГАНС-ДБ) и ГАНС с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ). Практически все известные зарубежные АНПА имеют в составе навигационных средств как длин-нобазисные, так и ультракороткобазисные системы, которые объединены в виде единого комплекта оборудования, а целесообразность выбора того или иного режима работы навигационного комплекса определяется текущей задачей [15-17]. Следует отметить, что наибольший опыт в разработке и практическом использовании ГАНС-ДБ имеется в Институте Океанологии РАЩ18-19] и ИПМТ ДВО РАН [20-21]. Создателями системы в ИПМТ были Агеев М.Д., Касаткин Б. А., Кобаидзе В.В., Рылов Н.И., Ларионов Ю.Г., Сидоренко А.В., Ковалев А.В. При выполнении практических работ эта система была расширена низкоскоростными средствами телеуправления и телеметрии (ТУ и ТМ).
Общую схему навигационного оборудования можно представить в виде, изображенном на рис.1. В схеме, предлагаемой на рис.1 , выделены дополнительные устройства, создание которых могло бы сформировать удобный, мобильный и достаточно точный комплекс для формирования на борту сопровождающего судна на-вигационно-информационной картины хода выполнения миссии АНПА и, кроме того, увеличить точность навигации на борту самого АНПА за счет применения инерциальной навигационной системы и датчика скорости [22]. Для решения этой задачи средства навигации необходимо дополнить ГАНС-УКБ, односторонней высокоскоростной системой передачи данных по гидроакустическому каналу, абсолютным лагом, комплексированием систем и созданием гидроакустического навигационного комплекса с гибкими возможностями по формированию комплекта навигационного обеспечения в зависимости от условий работы.
Навигация подводного робота
Обеспечивающее судно
АНПА
Гидроакустическая
навигационная
система
Гидроакустическая
система связи и
управления
Бортовая
навигационная
система
Гидроакустическая навигационная система
Система с длинной базой
Система
телеуправления и
телеметрии
Двухсторонний канал АНПА-ОС, ОС-АНПА
Датчик курса
Инерциальная навигационная система
Судовые блоки
навигационного
комплекса
Система с
ультракороткой
базой
Гидроакустическ
навигационный
судовой
комплекс
Односторонний канал АНПА-ОС
Доплеровский лаг
Подводные блоки
навигационного
комплекса
Гидроакустические средства навигации подводного робота
Рис. 1 Навигационные средства подводного робота
К настоящему времени ГАНС-ДБ является хорошо освоенным и надежным навигационным средством и, видимо еще долго будет обязательной в составе обеспечивающего оборудования АНПА [23-33]. Однако очевидно, что использование маяков-ответчиков и, тем самым жесткая привязка к району работ оправданы только в тех случаях, когда необходимы многократные пуски АНПА в одной точке или предъявляются повышенные требования к точности навигационного обеспечения. В иных случаях предпочтительнее использовать гидроакустическую навигационную систему с ультракороткой базой. ГАНС-УКБ были разработаны позднее ГАНС-ДБ, однако в силу простоты и удобства в эксплуатации они приобрели достаточно высокую популярность при обеспечении подводных работ с самыми различными техническими системами, снабженными маяком-ответчиком, либо пингером.
ГАНС-УКБ не содержит маяков, поэтому дешевле и требует меньше времени на подготовку системы к работе. Обычно ГАНС-УКБ кроме синхронизированного источника навигационного сигнала, устанавливаемого на борту объекта навигации, включает подводный модуль с малогабаритной приемной антенной, опускаемый на кабель-тросе с борта обеспечивающего судна, средства обработки и отображения на борту судна. Основное устройство системы - многоэлементная приемная антенна, габариты которой сравнимы с длиной волны навигационного сигнала. Антенна принимает сигнал и на основе обработки амплитудно-фазовой информации в каналах антенны определяет дальность, азимут и угол места объекта навигации, на котором установлен источник навигационного сигнала. Антенна снабжается дополнительно датчиками ее угловой ориентации (курс, крен, дифферент), а навигационные параметры получают в результате совместной обработки всей совокупности данных. Далее эта информация представляется в виде траектории АНПА с привязкой к географическим координатам, если по данным GPS известны координаты приемной антенны.
К достоинствам УКБ-систем следует отнести и то, что навигация АНПА может быть обеспечена в режиме движения обеспечивающего судна с определением текущего местоположения АНПА, совершающего длительный переход. Очевидно,
для реализации режима сопровождения система должна работать при скорости буксировки судовой антенны до 5 узлов и при ее удалении от ОС до 1 км. Основными характеристиками навигационной системы являются дальность действия, точность и скорость развертьшания. При оценке дальности следует исходить из того, что на АНПА установлен источник навигационных сигналов, работающий как маяк, синхронизированный с бортом ОС. Этот источник имеет заданную частоту и уровень излучения. Дальность действия зависит от рабочей частоты, гидрологии, глубин размещения антенн аппарата, маяков и обеспечивающего судна. Различают энергетическую дальность действия, которая определяется мощностью излучения, потерями на распространение сигнала, уровнем помехи и порогом обнаружения, и геометрическую дальность действия, которая определяется профилем скорости звука в районе работ и горизонтами излучения-приема [34-35]. Физически ограничение дальности действия гидроакустической навигационной системы объясняется формированием зон акустической освещенности и зон тени. Радиус действия дальномерной навигационной системы подводного аппарата, работающего вблизи дна, составляет реально 7-г8 км при высоте установки маяков-ответчиков над дном 200-ь250м и высоте работы АНПА 30м. Для существенного увеличения дальности действия навигационной системы, с учетом придонного характера работы подводного аппарата, в любом случае и при любой гидрологии нужно увеличивать высоту маяка над дном. Для ГАНС-УКБ придонная рефракция не играет определяющей роли, поскольку приемная антенна размещена достаточно высоко над дном, поэтому потенциальная геометрическая дальность действия значительно выше и составляет для АНПА, работающего вблизи дна при типовой гидрологии глубокого моря, ориентировочно (7-8) глубин моря. Эта дальность соответствует размеру первой зоны акустической освещенности, в пределах которой возможен устойчивый акустический контакт между судовой приемной антенной и АНПА. При оценке точности навигационных систем следует отметить, что важнейшим параметром является точность измерения дальности, которая в свою очередь определяется точностью задания эффективной скорости звука. При учете всех факторов, определяющих структуру звуковых лучей в районе работ, и при наличии
соответствующего методического и программного обеспечения оценка относительной погрешности определения скорости звука может достигать
10" —10 [36,30]. Эта оценка по сути является оценкой погрешности определения дальности и, соответственно, погрешности определения местоположения АНПА для систем с длинной базой, информационной основой которой являются дальности. Горизонтальные координаты объекта определяются через расстояние до маяков-ответчиков с использованием обычного двумерного сферического алгоритма [37], причем для однозначного определения координат нужно иметь не менее трех маяков, образующих в общем случае донную сеть маяков. Для определения координат объекта относительно донной сети достаточно знать ее конфигурацию, для определения абсолютных координат объекта обязательна привязка координат маяков к абсолютным координатам. Конфигурация сети по возможности должна обладать элементом симметрии, чтобы обеспечить равную вероятность приема сигнала в районе работ [38-39]. При оценке современного состояния рынка навигационных гидроакустических систем, можно заметить, что ГАНС обеспечивают навигацию технических средств в диапазоне от десятков метров до десятков км. Общая тенденция - выпуск навигационных средств, позволяющих в произвольной конфигурации работать в режиме дальнометрии или режиме угловых измерений. Для всех современных разработок ультракороткобазисных систем характерны полная компьютеризация и комплексирование с длиннобазисной ГАНС и судовой GPS с целью унификации аппаратуры и улучшения ее характеристик в различных условиях эксплуатации. Новым является желание потребителей, чтобы отдельные устройства различных фирм были совместимы.
В длиннобазисных системах оценки относительной погрешности составляют 10 и фактически находятся на уровне, который был достигнут еще 20 лет назад. Иначе дело обстоит с точностью ультракороткобазисных систем. Для первых разработок ГАНС-УКБ была характерна высокая погрешность угловых измерений, составляющая единицы градусов. Однако при работе с АНПА дальность действия ГАНС-УКБ и ее точностные характеристики должны быть максимально
возможными, т.к. они непосредственно определяют в значительной мере и эффективность использования самого АНПА.
Поэтому основные усилия ведущих фирм по развитию УКБ-систем направлены на увеличение точности. Так или иначе, все эти усилия связаны с разработкой новых приемных антенн и базируются на совершенной системе построения аппаратных средств и обработки данных.
Постоянное совершенствование элементной базы таких систем естественным образом улучшает и их технические характеристики, которые, однако, определяются не только совершенными высокими технологиями, но и объективными условиями их функционирования, а также полным комплексом методического и программного обеспечения их работы. Под объективными условиями функционирования понимается, прежде всего, специфика работы любых гидроакустических систем в море, которая определяется целым рядом факторов чисто физического характера, таких как неоднородность морской среды и связанная этим рефракция звуковых лучей, шумы моря и их специфическая частотная зависимость, статистический характер процесса распространения акустических сигналов и связанное с этим их замирание, сложное влияние границ разделе на структуру звукового поля и связанная с этим пространственно-частотная изменчивость всех кинематических характеристик. Знание этих факторов позволяет реализовать потенциальные возможности ГАНС, такие как дальность действия и погрешность определения координат объекта навигации, достижение которых зависит и от используемой элементной базы, и от правильного методического обеспечения работы на море, и от степени совершенства алгоритмов обработки всей навигационной и гидролого-акустической информации.
За последнее десятилетие погрешность снижена от 1-2 град до 0,1-0,Зград. УКБ-системы давно и успешно разрабатываются рядом иностранных фирм. Это Simrad (Норвегия), Sonardyne (Великобритания), Sonatech , EDO corporation Trackpoint, Nautronix (США) [40-50]. Первой ультракороткобазисной системой считается навигационная система RS-7 фирмы Ханивелл США, появившаяся в 1975 г., которая впоследствии была модернизирована и комплексирована с ГАНС-ДБ. Комплексированная система RS-906
характеризуется погрешностью определения координат объекта, снабженного пингером либо маяком ответчиком, в (1+2)% при изменении горизонтального расстояния в пределах г«(1^2)Н, где Н - глубина моря. Рабочий диапазон системы содержит высокочастотный 22^-30 кГц и низкочастотный 6,25-^14,75 кГц поддиапазоны.
При анализе публикаций и рекламных проспектов зарубежных фирм разработанные УКБ-системы можно разделить на три группы. Первая группа имеет оценку погрешности определения направления - до 0,1-0,Зград. Это Simrad (HPR400), Sonardyne, Sonatech (NS-031), Nautronix (ATS-S02, RS902-916), ORE International (Trackpointll). Приведенные рекламные оценки в части определения случайной составляющей погрешности обоснованы в ряде соответствующих публикаций [45-49]. Во второй группе оценки погрешности определения направления - до 0,5-1,Оград. Это Simrad (HPR309ST), Edo Western corp. (NAVTRAK 406) . В обеих группах - аппаратура вьшускаемая ведущими специализированными фирмами. Отдельно можно выделить усилия организаций, которые видимо самостоятельно создавали ГАНС для обеспечения своих работ. Это Харбинский университет [50-51], Масачусетский океанографический институт. Последний приводит данные о разработке и испытаниях ГАНС-УКБ для мелкого и глубокого (RATS) моря. RATS обеспечивает разрешение по углу 0,25град, а точность - ± 1.46град. Фирма ORE International выпускает, видимо, недорогой комплект аппаратуры LXT. В технических характеристиках этой системы приведены следующие данные: разрешение по азимуту 0,1 град, а угловая точность -5град. Разделение точностных характеристик систем, разрешения по углу и точности определения угла, становится понятным, если учесть, что система обеспечивает измерение угловых величин по всему горизонту в диапазоне 0-ЗбОград, а при градуировке антенны во всем диапазоне видимо формируется значительная неисключенная систематическая составляющая погрешности. Данные об известных системах сведены в таблицу 1, причем выделены сведения о характеристиках приемных антенн.
Из отечественных разработок ГАНС-УКБ известны сведения о разработках ЦНИИ Морфизприбор, Санкт-Петербургского государственного морского технического
Таблица 1.Основные характеристики ультракороткобазисных навигационных систем
университета, Института океанологии Российской академии наук, НИИ СМ МВТУ им. Н. Баумана [52-54].
Первые российские публикации об общих подходах к разработке УКБ появились в конце 80-х годов. Были описаны опыты разработки антенн, представленных в виде трех ортогональных линейных антенн [55], линейной антенны, составленной их трех гидрофонов, образующих малую базу для грубого и большую базу для точного пеленгования [56], в виде комбинированного приемника из пары ортогональных градиентных приемников и приемника давления [57]. Ряд вопросов обработки данных и градуировки системы рассматривался в [58-60]. Практические работы по созданию ультракороткобазисной навигационной системы были начаты ЦНИИ Морфизприбор при выполнении ОКР «Океан», однако были остановлены в середине 90-х годов. В настоящее время проектируется ГАНС-УКБ в ИО РАН, основу которой будет составлять линейная двухшкальная приемная антенна. Основу системы навигационного обеспечения АНПА ИПМТ составляет гидроакустический навигационный комплекс, в состав которого входят работающие совместно или раздельно ГАНС-ДБ и ГАНС-УКБ. В составе комплекса конструктивно объединены судовые антенны систем, судовое обеспечивающее оборудование, унифицировано программное обеспечение. Выбор режима работы комплекса определяется текущей тактикой использования АНПА. Система с длинной базой успешно эксплуатировалась при проведении обзорно-поисковых работ, выполняемых подводными аппаратами ИПМТ ДВО РАН [21]. Дальнейшая модернизация' системы возможна на основе разработанных предложений, значительно расширяющих дальность действия за счет введения поверхностных маяков-ретрансляторов и увеличивающих точность определения эффективной скорости звука в районе работ с использованием алгоритмов инвариантной дальнометрии [36].
Необходимость оснащения АНПА, разрабатываемых в ИПМТ ДВО РАН, гидроакустической навигационной системой с ультракороткой базой была отмечена еще в 1979 г., когда появился первый серьезный опыт работы с длиннобазовой ГАНС. Систематические исследования с оценкой перспектив построения ГАНС-УКБ, обладающей высокой точностью угловых измерений, были начаты в середине
90-х годов. Ряд промежуточных теоретических и экспериментальных результатов
был опубликован в работах [61-62]. Из анализа простейших пеленгационных антенн
в виде ортогональных пар элементов, следовало что даже при относительно высоком
отношении сигнал/шум (при q=10flB) их потенциальная точность невелика.
Значительный прогресс в увеличении точности был сделан при применении
многоэлементных антенн [63-64]. С целью уменьшения числа каналов обработки (и
соответственно числа элементов в антенне) были детально проанализированы
возможности круговых антенн с разреженным размещением приемных элементов.
Общий размер антенны выбирается из условия обеспечения необходимой
точности, а число каналов (равное 4-8) - из требований по ограничению энергетических и массогабаритных ресурсов. Поскольку волновой размер измерительной базы между гидрофонами превышает /1/2, то в таких системах необходимо устранять фазовую неоднозначность. Эта проблема решается выполнением процедуры пеленгования в два этапа [65].
На первом этапе грубого пеленгования определяется угловой сектор, в котором расположен объект навигации. Антенна при этом работает как амплитудньш пеленгатор, точность которого определяется шириной ее ХН. На втором этапе решается точное уравнение пеленга, начальным приближением которого является значение угла компенсации при амплитудном пеленговании (осевого угла выбранного сектора наблюдения). При расчете пеленга используется вся информация, принятая в каждом канале системы: амплитуда, фаза, дисперсия шума. В итоге пеленг определяется в результате усреднения пеленгов, рассчитанных для каждой комбинации пар гидрофонов в антенне с весами, которые содержат как геометрическую составляющую, учитывающую ориентацию приемной пары элементов относительно искомого пеленга, так и энергетическую составляющую, пропорциональную отношению сигнал/шум по энергии в соответствующих каналах приемника.
Предложенный подход с использованием многоэлементных антенн для фазового пеленгования и статистической обработки всего объема принимаемой информации дает основания рассчитывать на потенциальную точность угловых измерений, составляющую десятые доли градуса. Эта оценка согласуется с последними
достижениями ведущих зарубежных специализированных фирм Sonatech, Nautronix, Simrad, Sonardyne [37,47,49], которыми разработана и используется аппаратура с точностью угловых измерений около 0,1 град. При дальности действия 10 км эта аппаратура обеспечивает точность позиционирования 15-20 м, и сравнима с точностью дальномерных ГАНС.
Суммарная погрешность системы оказалась несколько выше за счет ряда допущений принятых при определении пеленгационных характеристик антенны. При решении уравнения пеленга необходимо знать характеристику антенны, которая связывает отклик антенны (прежде всего распределение фазы по дискретным элементам антенны) от углового положения источника сигналов. Эта характеристика отличается от аналитического описания, которое определяется только геометрией антенны, и в существенной степени зависит от технологического исполнения антенны, дифракционных искажений, взаимодействия по конструкции. Определение этой характеристики выполняется экспериментально на специализированном стенде с табуляцией угловой зависимости систематической составляющей погрешности [66].
Наряду с ГАНС, элементы которой распределены на АНПА, буксируемом модуле и обеспечивающем судне, в составе АНПА обязательной является система гидроакустической связи (ГАСС). ГАНС и ГАСС объединяет общность пространственного размещения элементов аппаратуры и необходимость передачи данных через гидроакустический канал, возможность унификации отдельных элементов систем.
ГАСС - одна из основных в структуре автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА). Её задача - обеспечение надежного высокоскоростного обмена информацией между АНПА и обеспечивающим судном (ОС). Эта система отличается от обычных гидроакустических средств связи рядом особенностей: заданной дальностью действия, работой в условиях как вертикального, так и горизонтального канала распространения звука, различным характером передаваемой информации. Последнее обстоятельство делает возможным варьирование скорости передачи, объема и частоты обновления информации в зависимости от текущего состояния канала связи и, соответственно, достоверности
принимаемого сообщения. Так, для обзорно-поисковых систем АНПА (ТВ, ГБО) скорость передачи должна быть максимальной при умеренных требованиях к
1 О
вероятности ошибки (10" - 10"). В информационных системах (навигация, контроль, управление) скорость может быть снижена в десятки раз с ужесточением требований по допустимой вероятности ошибки до Ю^-Ю"4.
Передача информации через гидроакустический канал связи - одна из основных
задач гидроакустики. Эта проблема в самом широком плане исследовалась
многими зарубежными научными школами в США [67-70], Франции [71-76],
Англии [77], Китае [78-80]. Благодаря их работам разработана идеология,
проведены исследования и освоен промышленный выпуск акустических модемов,
предназначенных для использования в составе различной океанографической
аппаратуры [80-82]. Первые результаты были получены для некогерентных систем
связи, использующих многопозиционную частотную манипуляцию [83]. Для
устранения влияния многолучевости применялись методы сверточного
помехоустойчивого кодирования с предварительной настройкой канала связи по известному тестовому сообщению и алгоритм Витерби для выделения данных переданных по прямому лучу. Эти системы нашли самое широкое применение из-за их невысокой сложности и стоимости. Последние обстоятельства сохраняют привлекательность некогерентных систем и в настоящее время, когда скорость передачи данных составляет сотни и тысячи бит/с. Значительный прогресс в увеличении скорости передачи данных был сделан при разработке когерентных систем связи. Суть их состоит в обеспечении фазовой синхронизации и непрерывном отслеживании изменений текущих характеристик канала связи с использованием эквалайзеров. Применение этих методов позволяет независимо от условий распространения реализовать скорости передачи данных от единиц до десятков кбит/с [84].
В середине 80-х годов и в СССР были развернуты аналогичные работы по созданию технических средств передачи по гидроакустическому каналу больших объемов информации. Эти исследования проводились в Московском энергетическом институте, Новосибирском электротехническом институте связи, Акустическом Институте, ряде других организаций. [85-94]. Полученные тогда
результаты заложили хорошие предпосылки для решения задачи при появлении современной элементной базы. В последующее время активные исследования проблем связи на больших дистанциях с использованием сложных помехозащищенных сигналов проводились в Акустическом институте [95-98], а применительно к океанографической аппаратуре, в том числе и подводным аппаратам - в Институте океанологии РАН [99]. Общие подходы в разработке аппаратуры ГАСС основаны в настоящее время на широком использовании современных программно-аппаратных средств, что позволяет компактно реализовать основные результаты, которые достигнуты за более чем тридцатилетнюю историю разработки гидроакустических систем связи. В первую очередь - это предварительная обработка передаваемой информации, увеличение информационной емкости сигналов за счёт применения многопозиционной фазово-частотной манипуляции, использование эквалайзеров для адаптивной коррекции характеристик канала связи, внедрение элементов помехоустойчивого кодирования [100].
Детальный анализ средств и методов систем связи сделан в [67]. В качестве
примера можно выделить [101], где описана система для передачи цветного
телевизионного изображения, причем скорость передачи стандартного кадра
составляла 7с, при центральной частоте 25кГц и полосе частот антенны ЮкГц.
Ряд зарубежных фирм выпускают аппаратуру средств ГАСС для широкого
использования. IFREMER сообщает об аппаратуре TIVA со следующими
характеристиками: ' f
диапазон глубин, м 2000-т-бООО
частота/полоса частот, кГц 25/5
максимальная скорость передачи данных, бит/с 9600
время передачи кадра 200x150x6 бит/пике
с уплотнением, с 12
без уплотнения, с 27
- вероятность ошибки 10"4
Другим примером ГАСС являются разработки фирмы "DATASONIC", создавшей
ряд акустических модемов ATM 850/851 и ATM 870, имеющих стандартные
интерфейсы RS-232 для ввода и вывода информации. Одна из этих систем ATM 850/851 имеет следующие характеристики:
полоса частот, кГц 15-20
скорость передачи данных, бит/с 1200
тип сигнала - многопозиционная частотная манипуляция
уровень акустического излучения, дБ, отн. 1дПа
для ненаправленной антенны 180
для направленной антенны 190
- потребляемая мощность при передаче, Вт
для ненаправленной антенны 45
для направленной антенны 30
диапазон глубин, м до 6500
вес, кг
в воде 18
в воздухе 38
-габариты, мм 0130x600.
Этот модем используется в аппаратуре АНПА "ODISSEY"
Оценим, прежде всего, количество информации, скорость ее накопления на АНПА и соотнесем со временем передачи необходимого объема данных для формирования адекватной картины обзора на обеспечивающем судне при заданной пропускной способности канала. Если ГБО обеспечивает разрешение 1.5м при ширине захвата по одному каналу 375м, а период зондирования составляет 1с, то общий объем цифровой информации в строке изображения для двухканального локатора составит 2кбайта. При этом полагается, что используется 16-ми разрядный АЦП с частотой дискретизации 2кГц. При скорости АНПА 1м/с, видимо достаточной будет передача одной строки за Юс, тогда время формирования кадра, содержащего 192 строки, составит 32 мин, а общая площадь обзора будет иметь размер (750x1920)м. При таких условиях канал связи для оперативного контроля данных ГБО с борта обеспечивающего судна должен иметь пропускную способность 1.5-2кбит/с.
В случае передачи телевизионного кадра общий объем информации в изображении, заданном числом строк (192), столбцов (256) и уровней яркости (цвета) (8) составит ~ 18.5кбайт. Тогда при скорости 1.5-2кбит/с, общее время передачи кадра составит 75-100с.
Работу систем телеметрии и телеуправления можно обеспечить, не изменяя выбранную скорость передачи данных через канал связи, используя избыточность для кодирования и увеличения помехоустойчивости.
Для заданных дальности действия 6 км и скорости передачи 1000-2000 бит/с остальные требования к системе можно определить на основе анализа классических уравнений дальности и потенциальной скорости передачи данных [102]. Прежде всего, это центральная частота ГАСС, которая составляет 20-25кГц и полоса рабочих частот 5-10кГц. Далее можно найти уровень акустического сигнала, полагая что уровень собственных шумов моря на частоте 25кГц составит 30-^40дБ относительно 10"6Па в полосе 1Гц, полоса приемника ЮкГц, а отношение сигнал/шум составит 6дБ, тогда уровень сигнала Р«186 дБ.
Для оценки скорости передачи принципиальным шагом является выбор конструкции излучаемого сигнала. В этой части особенно важны оценка минимальной длительности элементарного радиоимпульса, которая жестко связана с характеристиками антенн, и выбор параметров системы фазово-частотной манипуляции и соответственно информационной емкости отдельного элемента сигнальной конструкции. Отдельно необходимо отметить проблему разработки приемника, обеспечивающего выделение полезных сигналов в условиях ярко выраженного дисперсионного канала связи, каким является гидроакустический канал. Для гидроакустического канала связи характерно наличие многолучевости, замираний сигнала, которые приводят к появлению интерференционных помех. Необходимость одновременного повышения надежности и скорости передачи информации, при существенных ограничениях на полосу частот и энергетику, делает одной из центральных задачу создания высокоэффективных акустических преобразователей и антенн. Для упрощения структуры приемника особое внимание следует уделить формированию направленности антенн, поскольку значительное
подавление бокового и тыльного излучений могут стать наиболее действенным средством борьбы с помехами.
В предлагаемой работе приведены основные вопросы разработки ГАСС для АНПА. Целью работы была отработка отдельных функциональных узлов системы: антенн, аналоговых устройств, аппаратных средств преобразования сигналов и фактически полная разработка технических средств обработки данных. При проведении экспериментальных исследований были апробированы некоторые достаточно простые алгоритмы обработки данных, позволившие обеспечить работу
связи со скоростью до 3-4кбит/с с вероятностью ошибок примерно 10 в условиях как мелкого, так и глубокого моря. Эта система остается открытой для наращивания программного обеспечения и усложнения методов обработки данных, чтобы в дальнейшем увеличить скорость передачи информации и уменьшить вероятность ошибок.
Одним из важных элементов в структуре навигационного обеспечения АНПА является абсолютный лаг, обеспечивающий измерение вектора скорости относительно дна. Наличие точного датчика курса, магнитного или гироскопического, позволяет счислением рассчитывать траекторию АНПА на его борту. Практически все известные зарубежные АНПА оснащены доплеровскими лагами [7,103]. Имеется ряд зарубежных фирм, освоивших промышленный выпуск доплеровских лагов для установки на подводных аппаратах. Семейство лагов фирмы EDO corporation (USA) предназначено для точной навигации подводных аппаратов! 104]. Так модель 3050 имеет следующие характеристики: -диапазон измеряемых скоростей - от 0 до 10м/с, -диапазон расстояний от дна - от 1 до 100 м, -рабочая частота - 596 кГц,
-погрешность измерения скорости .абсолютная, 0,5 см/с; относительная, 0,1%. Высокая точность измерения скорости может быть обеспечена при малом времени накопления данных за счет использования техники обработки сигналов с распределенными спектрами [105-106] и применения специальных антенн с переменно-фазным включением элементов [104].
90% парка известных зарубежных АНПА в настоящее время оснащены
различными модификациями лагов фирмы RDInstruments (USA). Модель
доплеровского лага WN-300 имеет характеристики, оптимизированные по
критерию "цена-параметры-сложность" [107]:
-диапазон измеряемых скоростей - от 0 до 5м/с,
-диапазон расстояний от дна - от 1 до 200 м,
-погрешность измерения скорости :абсолютная- 0,3 см/с; относительная - 0,4%.
-потребляемая мощность, Вт -15.
В ИПМТ была начата разработка модели, целью которой стало создание
компактного экономичного лага, обеспечивающего необходимую точность при
типичных условиях эксплуатации в составе АПНА, разработанных Институтом.
Цель работы и задачи исследований
Целью работы является разработка высокоточных средств подводной навигации и управления с их экспериментальной апробацией в составе АНПА при проведении реальных поисковых работ в Океане. Для достижения цели решались следующие задачи:
Теоретическое и экспериментальное исследование принципов построения систем обработки многоканальной информации для определения углового положения источника тональных и широкополосных навигационных сигналов. Обоснование конфигурации малогабаритных многоэлементных антенн при реализации ультракороткобазисных навигационных систем с высокой потенциальной точностью.
Разработка аппаратуры, методологии оценки точностных характеристик и исследование точности гидроакустических навигационных систем на основе методов фазовой обработки сигналов и малогабаритных судовых приемных антенн.
Разработка технических средств передачи больших потоков информации по гидроакустическому каналу связи и расширение функциональных возможностей навигационных систем средствами приема и передачи информации, предназначенными для управления АНПА и оперативного контроля хода выполнения работ.
Разработка гидроакустических средств навигации для определения абсолютной скорости АНПА в составе бортовой навигационной системы.
Обоснование состава и разработка комбинированной системы навигации с унифицированным аппаратурным и программным обеспечением для совместного или раздельного использования ГАНС ДБ, ГАНС УКБ и системы передачи данных путем формирования на борту судна текущей навигационно-информационной картины, наиболее полно и адекватно отображающей выполнение обзорно-поисковых работ подводным роботом, и демонстрация ее эффективности в составе АНПА.
Научная новизна
1. Теоретически и экспериментально обосновано применение алгоритмов
статистической обработки многоканальной информации для решения
навигационной задачи в составе ГАНС УКБ с использованием круговых
дискретных антенн большого волнового размера и малым числом элементов для
достижения высокой точности фазовых пеленгаторов.
2. Разработаны и экспериментально исследованы методы и оборудование для
оценки точности ультракороткобазисных гидроакустических средств навигации в
натурных и лабораторных условиях.
3. Обоснованы характеристики и условия применения некогерентных
многочастотных систем передачи данных по гидроакустическому каналу с
адаптивной амплитудной коррекцией передаточных характеристик канала связи в
составе комбинированной системы навигации АНПА.
4. Разработан малогабаритный экономичный импульсный доплеровский лаг с
использованием квазикогерентного накопления данных для увеличения
быстродействия.
5. Разработаны специализированные приемоизлучаюшие антенны для
гидроакустических средств навигации и управления.
6. Создана комбинированная система гидроакустических средств навигации
подводного робота, которая включает ГАНС ДБ, ГАНС УКБ, доплеровский лаг и
систему передачи информации по гидроакустическому каналу и выполнена их
опытная эксплуатация в составе АНПА при проведении реальных морских операций.
Положения выносимые на защиту
1. Принципы построения ультракороткобазисных навигационных систем с
использованием круговых дискретных антенн.
Методология оценки точности ультракороткобазисных навигационных систем.
Технические решения и практическая реализация комплекса гидроакустических средств навигации подводного робота, который включает ГАНС ДБ, ГАНС У КБ, ДЛ и систему передачи информации.
Содержание работы
