RU2727331C1 - Method for hydroacoustic search for an autonomous underwater bottom object - Google Patents
Method for hydroacoustic search for an autonomous underwater bottom object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2727331C1 RU2727331C1 RU2019145191A RU2019145191A RU2727331C1 RU 2727331 C1 RU2727331 C1 RU 2727331C1 RU 2019145191 A RU2019145191 A RU 2019145191A RU 2019145191 A RU2019145191 A RU 2019145191A RU 2727331 C1 RU2727331 C1 RU 2727331C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- search
- underwater object
- signal
- autonomous
- vessel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области подводной навигации, а именно к определению местоположения автономного донного подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы и может быть использовано в системах гидроакустического мониторинга различного назначения, интегрированных системах подводного наблюдения, позиционных сетецентрических системах для скрытного гидроакустического поиска с надводного судна подводных объектов, например, автономной донной станции мониторинга, подводного робота разведчика, многофункционального автономного необитаемого подводного аппарата, находящихся на дне известной морской акватории в спящем режиме после выполнения соответствующей миссии.The proposed invention relates to the field of underwater navigation, namely to determining the location of an autonomous bottom underwater object by means of a hydroacoustic navigation system and can be used in hydroacoustic monitoring systems for various purposes, integrated underwater surveillance systems, positional network-centric systems for covert hydroacoustic search from a surface vessel of underwater objects, for example, an autonomous seabed monitoring station, an underwater reconnaissance robot, a multifunctional autonomous unmanned underwater vehicle located at the bottom of a known sea area in a dormant mode after completing a corresponding mission.
Известен близкий по функциональному назначению способ навигации [1], где исследуемый полигон акватории координируют тремя акустическими маяками-ответчиками, с которыми автономный подводный объект взаимодействует, получая запрос и передавая свой акустический сигнал, а маяки передают на поисковое судно свои расстояния до подводного объекта. На судне вычисляют координаты объекта как точку пересечения трех сфер и уточняют их по мере приближения судна к подводному объекту.Known similar in functionality navigation method [1], where the investigated water area polygon is coordinated by three acoustic transponder beacons, with which the autonomous underwater object interacts, receiving a request and transmitting its acoustic signal, and the beacons transmit their distances to the underwater object to the search vessel. The ship calculates the coordinates of the object as the intersection point of the three spheres and refines them as the ship approaches the underwater object.
Этот способ достаточно громоздок, требует больших затрат судового времени для развертывания, дорог в эксплуатации и не обеспечивает скрытности гидроакустического поиска, поскольку сигналы взаимодействия автономного подводного объекта, маяков-ответчиков и поискового судна обнаруживаются и идентифицируются существующими гидроакустическими средствами наблюдения и мониторинга, что является весьма нежелательным обстоятельством при выполнении некоторых разведывательных и мониторинговых задач в различных морских акваториях.This method is rather cumbersome, requires a lot of ship time for deployment, is expensive to operate, and does not provide the secrecy of hydroacoustic search, since the signals of interaction of an autonomous underwater object, responder beacons and a search vessel are detected and identified by existing hydroacoustic observation and monitoring equipment, which is highly undesirable. circumstance in the performance of certain reconnaissance and monitoring tasks in various sea areas.
Известна гидроакустическая навигационная система [2] с ультракороткой базой для позиционирования подводных объектов, в которой надводное судно оснащается четырехэлементной пеленгационной антенной диаметрально-ортогональной геометрии, а запрашиваемый подводный объект передает на надводное судно комбинированный сигнал, в общем случае, состоящий из навигационного и информационного блоков. Соответствующая обработка этого сигнала в условиях больших отношений сигнал/шум позволяет с достаточной точностью определять параметры местоположения подводного объекта: пеленг ϕ, угол места θ, дальность d, наклонное расстояние rн относительно надводного судна и получать от объекта необходимые информационные сообщения. Указанные параметры местоположения связаны между собой соотношениями: где h - глубина погружения подводного объекта. В этой системе также не обеспечивается скрытность, поскольку сигналы взаимодействия подводного объекта и надводного судна обнаруживаются и идентифицируются существующими гидроакустическими средствами наблюдения и мониторинга.Known hydroacoustic navigation system [2] with an ultrashort base for positioning underwater objects, in which the surface vessel is equipped with a four-element direction finding antenna of diametrically orthogonal geometry, and the requested underwater object transmits to the surface vessel a combined signal, in general, consisting of navigation and information units. Appropriate processing of this signal under conditions of large signal-to-noise ratios allows one to determine with sufficient accuracy the parameters of the location of an underwater object: bearing ϕ, elevation angle θ, range d, slope distance r n relative to the surface vessel and receive the necessary information messages from the object. The specified location parameters are related to each other by the ratios: where h is the immersion depth of the underwater object. In this system, secrecy is also not provided, since signals of interaction between the underwater object and the surface vessel are detected and identified by existing hydroacoustic observation and monitoring devices.
Известен способ [3] определения относительно поискового судна местоположения автономного донного подводного аппарата, снабженного маяком-пингером, излучающим периодические тональные импульсные сигналы, предварительно синхронизированные с судовым генератором аналогичных опорных сигналов, при этом сигналы маяка-пингера принимают судовой антенной, вычисляют их временное смещение относительно одноименных опорных сигналов, умножая которое на скорость звука в воде, получают наклонное расстояние по лучу от маяка-пингера до антенны судна, вместе с тем используя судовую приемную антенну дипольного типа с минимумом диаграммы направленности и механически вращая ее относительно вертикальной оси, фиксируют пеленг маяка-пингера автономного донного подводного аппарата относительно судовых координат по минимуму амплитуды принимаемого сигнала, а также используя судовой эхолот, определяют глубину акватории под судном, затем из геометрического построения прямоугольного треугольника вычисляют проекцию наклонного расстояния на горизонтальную поверхность дна (дальность аппарата), что в совокупности с углом пеленга дает оценку ориентировочных, относительно поискового судна, координат автономного донного подводного аппарата, которые постоянно уточняются по мере движения судна в направлении позиционируемого подводного аппарата.There is a method [3] for determining the location of an autonomous underwater vehicle equipped with a pinger beacon, emitting periodic tones, pre-synchronized with the ship's generator of similar reference signals, relative to the search vessel, the pinger beacon signals being received by the ship's antenna, calculating their time offset relative to of the same reference signals, multiplying which by the speed of sound in water, an oblique distance along the beam from the pinger beacon to the ship's antenna is obtained, at the same time using the ship's receiving antenna of the dipole type with a minimum radiation pattern and mechanically rotating it about the vertical axis, the bearing of the beacon is recorded. pinger of the autonomous bottom underwater vehicle relative to the ship coordinates by the minimum amplitude of the received signal, as well as using the ship's echo sounder, determine the depth of the water area under the ship, then from the geometric construction of the right-angled triangle calculate the projection the long distance to the horizontal bottom surface (range of the vehicle), which, together with the bearing angle, gives an estimate of the approximate coordinates of the autonomous bottom underwater vehicle relative to the search vessel, which are constantly updated as the vessel moves in the direction of the positioned underwater vehicle.
Данному способу также присущ недостаток, связанный с отсутствием скрытности процесса гидроакустического поиска автономного донного подводного объекта, вследствие использования и возможного опознавания демаскирующих, имеющих искусственное происхождение, акустических сигналов, свидетельствующих, по данным гидроакустической разведки, о самом факте проведения привлекающих внимание подводных работ.This method also has a disadvantage associated with the lack of secrecy of the process of hydroacoustic search for an autonomous bottom underwater object, due to the use and possible identification of unmasking, artificially originated acoustic signals, indicating, according to hydroacoustic reconnaissance data, the very fact of carrying out attention-grabbing underwater work.
На основании признаков способа [3], навигационной системы [2] и очевидных технических решений можно сформулировать признаки, которые могут присутствовать как в известных, так и в заявляемом способах:Based on the features of the method [3], the navigation system [2] and obvious technical solutions, it is possible to formulate features that can be present both in the known and in the claimed methods:
- поисковое судно снабжается приемной пеленгационной и передающей гидроакустическими антеннами, оборудованием для приема и обработки сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта, аппаратурой формирования сигналов активации и всплытия автономного донного подводного объекта, гидроакустическими средствами измерения глубины акватории поиска;- the search vessel is supplied with a receiving direction-finding and transmitting hydroacoustic antennas, equipment for receiving and processing the signal of the pinger beacon of an autonomous underwater bottom object, equipment for generating activation and ascent signals for an autonomous bottom underwater object, hydroacoustic means for measuring the depth of the search water area;
- автономный донный подводный объект оснащается приемной и передающей гидроакустическими антеннами, системой изменения плавучести, маяком-пингером, формирующим кратковременный, повторяющийся навигационный сигнал, аппаратурой приема и обработки сигналов активации и всплытия поискового судна;- an autonomous bottom underwater object is equipped with receiving and transmitting sonar antennas, a buoyancy change system, a pinger beacon that generates a short-term, repetitive navigation signal, and equipment for receiving and processing signals for activation and surfacing of a search vessel;
- формирование навигационного сигнала автономного донного подводного объекта и его обработка на поисковом судне производятся с использованием высокостабильных опорных генераторов;- the formation of the navigation signal of the autonomous bottom underwater object and its processing on the search vessel are carried out using highly stable reference generators;
- перевод автономного донного подводного объекта из спящего в рабочий режим осуществляется путем подачи с поискового судна гидроакустического сигнала активации;- the transfer of an autonomous bottom underwater object from a sleeping mode to an operating mode is carried out by sending a hydroacoustic activation signal from a search vessel;
- местоположение автономного донного подводного объекта относительно поискового судна оценивается на основе гидроакустических измерений глубины акватории поиска, определения наклонного расстояния и дальности между поисковым судном и автономным донным подводным объектом, угловых параметров объекта в системе координат пеленгационной антенны поискового судна;- the location of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel is estimated on the basis of hydroacoustic measurements of the depth of the search water area, determination of the inclined distance and distance between the search vessel and the autonomous bottom underwater object, the angular parameters of the object in the coordinate system of the direction finding antenna of the search vessel;
- курс движения поискового судна в процессе поиска корректируется по мере обновления оценок местоположения автономного донного подводного объекта в акватории поиска;- the course of movement of the search vessel in the search process is adjusted as the estimates of the location of the autonomous bottom underwater object in the search water area are updated;
- подъем на поверхность автономного подводного объекта осуществляется с использованием системы изменения плавучести, запуск исполнительных механизмов которой производится подачей с поискового судна гидроакустического сигнала всплытия.- ascent to the surface of an autonomous underwater object is carried out using a buoyancy change system, the actuators of which are launched by sending a hydroacoustic ascent signal from a search vessel.
Совокупность перечисленных выше признаков позволяет синтезировать способ-прототип, который предполагает в процессе гидроакустического поиска автономного донного подводного объекта следующие действия и операции:The combination of the above features makes it possible to synthesize a prototype method, which assumes the following actions and operations in the process of hydroacoustic search for an autonomous bottom underwater object:
- устанавливают на надводном поисковом судне согласованную с его курсом пеленгационную гидроакустическую антенну диаметрально-ортогональной геометрии размещения четырех приемных гидрофонов, слабонаправленную передающую гидроакустическую антенну, оборудование для приема и обработки сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта на базе высокостабильного опорного генератора, аппаратуру формирования сигналов активации и всплытия автономного донного подводного объекта, гидроакустические средства измерения глубины акватории поиска;- installing on the surface search vessel a direction-finding sonar antenna of diametrically orthogonal geometry of placement of four receiving hydrophones, a weakly directional transmitting sonar antenna, equipment for receiving and processing the signal of a pinger beacon of an autonomous bottom underwater object based on a highly stable reference generator, equipment for generating activation signals and ascent of an autonomous bottom underwater object, hydroacoustic means for measuring the depth of the search water area;
- оснащают автономный донный подводный объект слабонаправленными приемной и передающей гидроакустическими антеннами, оборудованием формирования сигнала маяка-пингера с использованием высокостабильного опорного генератора, аппаратурой приема и обработки сигналов активации и всплытия поискового судна;- equip an autonomous bottom underwater object with weakly directional receiving and transmitting hydroacoustic antennas, equipment for generating a pinger beacon signal using a highly stable reference generator, equipment for receiving and processing activation signals and surfacing a search vessel;
- излучают с поискового судна, по мере его движения по акватории поиска, в водную среду пространства нижней полусферы, относительно поискового судна, гидроакустический сигнал активации автономного донного подводного объекта, превышающий фоновые шумы водной среды акватории поиска;- emit from the search vessel, as it moves through the search water area, into the aquatic environment of the lower hemisphere space, relative to the search vessel, a hydroacoustic activation signal of an autonomous bottom underwater object, exceeding the background noise of the water environment of the search water area;
- принимают и обрабатывают на автономном донном подводном объекте гидроакустический сигнал активации, переводят оборудование автономного донного подводного объекта из спящего в рабочий режим;- the hydroacoustic activation signal is received and processed at the autonomous bottom underwater object, the equipment of the autonomous bottom underwater object is transferred from sleeping to operating mode;
- формируют с использованием высокостабильного опорного генератора на автономном донном подводном объекте кратковременный, повторяющийся с интервалом, большим его длительности, навигационный сигнал маяка-пингера, частота которого априорно известна на поисковом судне;- using a highly stable reference generator on an autonomous bottom underwater object, a short-term, repeating with an interval longer than its duration, a navigation signal of a pinger beacon is formed, the frequency of which is known a priori on the search vessel;
- излучают гидроакустической антенной автономного донного подводного объекта, в направлениях верхней полусферы, относительно морского дна, сформированный сигнал маяка-пингера, превышающий фоновые шумы водной среды акватории поиска;- a generated pinger beacon signal is emitted by a hydroacoustic antenna of an autonomous underwater bottom object, in the directions of the upper hemisphere, relative to the seabed, which exceeds the background noise of the aquatic environment of the search area;
- принимают и обрабатывают на поисковом судне гидроакустический сигнал маяка-пингера автономного донного подводного объекта, после чего прекращают излучение сигнала активации с поискового судна;- the hydroacoustic signal of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object is received and processed on the search vessel, after which the emission of the activation signal from the search vessel is stopped;
- измеряют судовым эхолотом глубину водной акватории поиска;- the depth of the search water area is measured with a ship echo sounder;
- определяют с использованием судовой четырехэлементной пеленгационной антенны диаметрально-ортогональной геометрии пеленг и угол места автономного донного подводного объекта относительно поискового судна;- the bearing and the elevation angle of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel are determined using the ship's four-element direction-finding antenna of diametrically-orthogonal geometry;
- оценивают по вычисленному углу места и измеренной глубине водной акватории поиска приближенные значения дальности и наклонного расстояния до автономного донного подводного объекта с использованием соответствующих тригонометрических соотношений;- by the calculated elevation angle and the measured depth of the water area of the search, the approximate values of the range and slope distance to the autonomous bottom underwater object are estimated using the corresponding trigonometric ratios;
- корректируют курс движения поискового судна на основании обновляемых, по мере его продвижения по акватории поиска до предварительно определенной безопасной дальности всплытия автономного донного подводного объекта, параметров местоположения автономного донного подводного объекта относительно поискового судна;- correcting the course of movement of the search vessel on the basis of the parameters of the location of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel, which are updated as it moves through the search water area to a predetermined safe ascent range of the autonomous bottom underwater object;
- излучают с поискового судна, в паузе между сигналами маяка-пингера автономного донного подводного объекта, в водную среду акватории поиска, в пространстве нижней полусферы, относительно поискового судна, гидроакустический сигнал всплытия автономного донного подводного объекта, превышающий фоновые шумы водной среды акватории поиска;- emit from the search vessel, in the pause between the signals of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object, into the aquatic environment of the search area, in the space of the lower hemisphere, relative to the search vessel, a hydroacoustic signal of the ascent of the autonomous bottom underwater object exceeding the background noise of the aquatic environment of the search area;
- принимают и обрабатывают на автономного донном подводном объекте гидроакустический сигнал всплытия, запускают соответствующие исполнительные механизмы системы изменения плавучести, прекращают излучение сигнала маяка-пингера.- the hydroacoustic ascent signal is received and processed at the autonomous bottom underwater object, the corresponding actuators of the buoyancy change system are launched, and the emission of the pinger beacon signal is stopped.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение скрытности гидроакустического поиска с надводного поискового судна автономного донного подводного объекта за счет использования в процессе поисковых действий гидроакустических сигналов, маскируемых под возможные акустические фоновые шумы акватории поиска - звуки морских животных, рыб, ракообразных, шумы моря, выбора надлежащей структуры, амплитудных, временных и частотных параметров этих гидроакустических сигналов, реализации соответствующих действий по излучению, приему и обработке гидроакустических сигналов на поисковом судне и автономном донном подводном объекте.The technical result of the proposed method is to increase the secrecy of hydroacoustic search from a surface search vessel of an autonomous bottom underwater object due to the use of hydroacoustic signals in the process of search actions, masked for possible acoustic background noises of the search water area - the sounds of sea animals, fish, crustaceans, sea noises, the choice of the appropriate structure , amplitude, time and frequency parameters of these hydroacoustic signals, the implementation of appropriate actions for the emission, reception and processing of hydroacoustic signals on a search vessel and an autonomous bottom underwater object.
Данный технический результат достигается за счет того, что в способе гидроакустического поиска с надводного поискового судна автономного донного подводного объекта, находящегося в спящем режиме в известной морской акватории после выполнения соответствующей миссии, заключающемся в оборудовании поискового судна согласованной с его курсом пеленгационной антенной диаметрально-ортогональной геометрии расположения четырех приемных гидрофонов, слабонаправленной передающей гидроакустической антенной, аппаратурой приема и обработки сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта на базе высокостабильного опорного генератора, аппаратурой формирования сигналов активации и всплытия автономного донного подводного объекта, гидроакустическими средствами измерения глубины акватории поиска, в оснащении автономного донного подводного объекта слабонаправленными приемной и передающей гидроакустическими антеннами, аппаратурой приема и обработки сигналов активации и всплытия поискового судна, маяком-пингером, формирующим, с использованием высокостабильного опорного генератора, повторяющийся навигационный сигнал, частота которого априорно известна на поисковом судне, системой изменения плавучести, в повторяющемся, по мере продвижения поискового судна по акватории поиска, излучении его передающей антенной в водную среду пространства нижней полусферы, относительно поискового судна, гидроакустического сигнала активации автономного донного подводного объекта, превышающего фоновые шумы водной среды акватории поиска, в приеме посредством приемной антенны и необходимой обработке на автономном донном подводном объекте гидроакустического сигнала активации поискового судна, в переводе оборудования автономного донного подводного объекта, по факту достоверного приема сигнала активации, из спящего в рабочий режим, в излучении передающей антенной автономного донного подводного объекта в водную среду акватории поиска, в направлениях верхней полусферы, относительно морского дна, гидроакустического навигационного сигнала, превышающего фоновые шумы водной среды, сформированного маяком-пингером и повторяющегося с интервалом, большим его длительности, в приеме пеленгационной антенной поискового судна гидроакустического сигнала маяка-пингера и его соответствующей обработке, с последующим прекращением, по факту его достоверного приема, излучения передающей антенной поискового судна гидроакустического сигнала активации автономного донного подводного объекта, в измерении и запоминании глубины водной акватории поиска гидроакустическими средствами измерения поискового судна, в определении и запоминании пеленга и угла места автономного донного подводного объекта относительно поискового судна, в оценке и запоминании по определенному углу места и измеренной глубине водной акватории поиска приближенных значений дальности и наклонного расстояния до автономного донного подводного объекта с использованием соответствующих тригонометрических соотношений, в корректировке курса движения поискового судна на основании обновляемых параметров местоположения автономного донного подводного объекта относительно поискового судна, по мере его продвижения по акватории поиска до предварительно определенной безопасной дальности всплытия автономного донного подводного объекта, в излучении передающей антенной поискового судна в водную среду акватории поиска, в пространстве нижней полусферы, относительно поискового судна, в паузе между сигналами маяка-пингера автономного донного подводного объекта, гидроакустического сигнала всплытия автономного донного подводного объекта, превышающего фоновые шумы водной среды, в приеме посредством приемной антенны и необходимой обработке на автономном донном подводном объекте гидроакустического сигнала всплытия, в прекращении, по факту достоверного приема сигнала всплытия, излучения передающей антенной автономного донного подводного объекта гидроакустического сигнала маяка-пингера, в запуске соответствующих исполнительных механизмов системы изменения плавучести автономного донного подводного объекта, формируют и запоминают при подготовке миссии автономного подводного объекта на подводном объекте и поисковом судне излучаемые в процессе гидроакустического поиска сигналы: на автономном подводном объекте - сигналы маяка-пингера, на поисковом судне - сигналы активации и всплытия автономного донного подводного объекта, имеющие заданную структуру, амплитудные, временные и частотные параметры, по акустическому восприятию приближающиеся к возможным фоновым шумам известной акватории поиска, при этом сигналы активации и всплытия поискового судна состоят из двух составляющих: стартовой посылки и посылки опознавания, комбинированный сигнал маяка-пингера автономного донного подводного объекта содержит четыре составляющие: стартовую посылку, посылку опознавания, навигационную посылку в виде гармонического сигнала известной на поисковом судне частоты и маскирующий навигационную посылку квазибелый шум, частотные параметры которого выбирают, исходя из необходимой точности определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна в процессе его гидроакустического поиска, обеспечивая необходимую полосу частот и соответствующее превышение нижней граничной частоты его спектра над частотой гармонических колебаний навигационной посылки, видоизменяют структуру зондирующих импульсов судового эхолота таким образом, чтобы акустическое восприятие процедуры измерения глубины водной акватории поиска соответствовало возможному гибридному шумовому фону морской среды, кроме этого, структура и параметры излучаемых сигналов маяка-пингера автономного донного подводного объекта априорно известны на поисковом судне, а структура и параметры излучаемых сигналов активации и всплытия поискового судна априорно известны на автономном донном подводном объекте, выполняют перед поиском процедуру калибровки усилительных трактов пеленгационной антенны поискового судна с получением и запоминанием калибровочных поправок, осуществляют в процессе поиска на поисковом судне процедуру определения и запоминания угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна, согласованную с геометрическими параметрами пеленгационной антенны и позволяющую позиционировать автономный донный подводный объект относительно поискового судна с необходимой точностью в условиях малых отношений сигнал/шум замаскированного навигационного сигнала.This technical result is achieved due to the fact that in the method of hydroacoustic search from a surface search vessel of an autonomous bottom underwater object, which is in a dormant mode in a known sea area after completing a corresponding mission, which consists in equipping a search vessel with a direction finding antenna of diametrical-orthogonal geometry the location of four receiving hydrophones, a weakly directional transmitting hydroacoustic antenna, equipment for receiving and processing the signal of the pinger beacon of an autonomous underwater bottom object based on a highly stable reference generator, equipment for generating activation signals and ascent of an autonomous bottom underwater object, hydroacoustic means for measuring the depth of the search water area, equipped with an autonomous bottom underwater object with weakly directional receiving and transmitting hydroacoustic antennas, equipment for receiving and processing signals for activation and surfacing of a search vessel, m a pinger, forming, using a highly stable reference generator, a repetitive navigation signal, the frequency of which is a priori known on the search vessel, by a buoyancy change system, in the repeating, as the search vessel moves through the search water area, its radiation by a transmitting antenna into the aquatic environment of the lower hemisphere space , in relation to the search vessel, the hydroacoustic signal of activation of the autonomous bottom underwater object, exceeding the background noise of the aquatic environment of the search area, in reception by the receiving antenna and the necessary processing on the autonomous bottom underwater object of the sonar activation signal of the search vessel, in the translation of the equipment of the autonomous bottom underwater object, in fact reliable reception of the activation signal, from the sleeping mode to the operating mode, in the radiation of the transmitting antenna of the autonomous bottom underwater object into the aquatic environment of the search area, in the directions of the upper hemisphere, relative to the seabed, hydroacoustic a signal that exceeds the background noise of the aquatic environment, generated by a pinger beacon and repeated with an interval longer than its duration, in the reception of the hydroacoustic signal of the pinger beacon by the direction finding antenna of the search vessel and its corresponding processing, with subsequent termination, upon its reliable reception, of radiation transmitting antenna of a search vessel for a hydroacoustic signal of activation of an autonomous bottom underwater object, in measuring and storing the depth of the water area of a search by hydroacoustic means of measuring a search vessel, in determining and remembering the bearing and elevation angle of an autonomous bottom underwater object relative to a search vessel, in evaluating and storing at a certain elevation angle and the measured depth of the water area of the search for approximate values of the range and slope distance to the autonomous bottom underwater object using the corresponding trigonometric relations, in the correction of the course of movement search of the new vessel based on the updated parameters of the location of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel, as it moves through the search water area to a predetermined safe ascent range of the autonomous bottom underwater object, in the radiation of the transmitting antenna of the search vessel into the aquatic environment of the search area, in the space of the lower hemisphere, relative to the search vessel, in the pause between the signals of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object, the hydroacoustic signal of the ascent of the autonomous bottom underwater object exceeding the background noise of the aquatic environment, in the reception by the receiving antenna and the necessary processing on the autonomous bottom underwater object of the sonar ascent signal, in the termination, on the fact of reliable reception of the ascent signal, radiation by the transmitting antenna of the autonomous bottom underwater object of the hydroacoustic signal of the pinger beacon, in the launch of the corresponding actuators of the system for changing the luvosti of an autonomous underwater object, form and store when preparing a mission of an autonomous underwater object on an underwater object and a search vessel, signals emitted during the hydroacoustic search process: on an autonomous underwater object - signals of a pinger beacon, on a search vessel - activation and emergence signals of an autonomous bottom underwater object , having a given structure, amplitude, time and frequency parameters, by acoustic perception approaching the possible background noise of the known search water area, while the activation and surfacing signals of the search vessel consist of two components: the starting message and the identification message, the combined pinger beacon signal of the autonomous bottom of an underwater object contains four components: a starting message, an identification message, a navigation message in the form of a harmonic signal of a frequency known on the search vessel and a quasi-white noise masking the navigation message, the frequency parameters of which are selected based on and from the required accuracy of determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel in the process of its hydroacoustic search, providing the necessary frequency band and the corresponding excess of the lower boundary frequency of its spectrum over the frequency of harmonic oscillations of the navigation message, the structure of the sounding pulses of the ship's echo sounder is modified so that acoustic perception the procedure for measuring the depth of the water area of the search corresponded to the possible hybrid noise background of the marine environment, in addition, the structure and parameters of the emitted signals of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object are a priori known on the search vessel, and the structure and parameters of the emitted signals of activation and surfacing of the search vessel are a priori known on the autonomous a bottom underwater object, before the search, the procedure for calibrating the amplifying paths of the direction finding antenna of the search vessel is performed, with the receipt and storage of calibration corrections, during the search process on the search vessel, a procedure for determining and memorizing the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel is implemented, coordinated with the geometric parameters of the direction finding antenna and allowing positioning of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel with the required accuracy in conditions of low signal / noise ratios of the masked navigation signal ...
Существенным отличием заявляемого способа является использование в процессе поисковых действий гидроакустических сигналов, маскируемых под возможные акустические фоновые шумы акватории поиска - звуки морских животных, рыб, ракообразных, шумы моря, с выбором их надлежащей структуры, амплитудных, временных и частотных параметров, применение процедуры определения угловых координат автономного донного подводного объекта, согласованной с геометрическими параметрами пеленгационной антенны поискового судна, которая совместно с процедурой калибровки усилительных трактов пеленгационной антенны поискового судна позволяет осуществлять позиционирование автономного донного подводного объекта относительно поискового судна с необходимой точностью в условиях малых отношений сигнал/шум замаскированного навигационного сигнала, что в совокупности позволяет повысить скрытность гидроакустического поиска автономного донного подводного объекта.A significant difference of the proposed method is the use of hydroacoustic signals in the process of search actions, masked for possible acoustic background noise of the search water area - the sounds of sea animals, fish, crustaceans, sea noises, with the choice of their proper structure, amplitude, time and frequency parameters, the application of the procedure for determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object, coordinated with the geometric parameters of the direction finding antenna of the search vessel, which, together with the procedure for calibrating the amplifying paths of the direction finding antenna of the search vessel, allows positioning of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel with the required accuracy in conditions of low signal-to-noise ratios of the masked navigation signal, which together makes it possible to increase the secrecy of the hydroacoustic search for an autonomous bottom underwater object.
Совокупность существенных признаков заявляемого способа имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, из чего можно заключить, что данное техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем, так как явным образом не следует из существующего уровня техники, и пригодно для практического применения.The set of essential features of the proposed method has a causal relationship with the achieved technical result, from which it can be concluded that this technical solution is new, has an inventive step, since it does not explicitly follow from the existing level of technology, and is suitable for practical use.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 изображена упрощенная стилизованная структура сигнала активации автономного донного подводного объекта, излучаемого с поискового судна в исследуемую акваторию в начале поиска.FIG. 1 shows a simplified stylized structure of the activation signal of an autonomous bottom underwater object emitted from a search vessel to the investigated water area at the beginning of the search.
На фиг. 2 показана упрощенная стилизованная структура сигнала всплытия автономного донного подводного объекта, излучаемого с поискового судна в исследуемую акваторию на завершающей стадии поиска.FIG. 2 shows a simplified stylized structure of the ascent signal of an autonomous bottom underwater object emitted from a search vessel into the investigated water area at the final stage of the search.
На фиг. 3 представлена упрощенная стилизованная структура комбинированного сигнала маяка-пингера, излучаемого в исследуемую акваторию с автономного донного подводного объекта в процессе его поиска.FIG. 3 shows a simplified stylized structure of the combined pinger beacon signal emitted into the investigated water area from an autonomous bottom underwater object during its search.
Фиг. 4 поясняет асинхронный режим приема-передачи сигналов поискового судна и автономного донного подводного объекта, исключающий возможность временного перекрытия излучаемых и принимаемых сигналов.FIG. 4 explains the asynchronous mode of reception and transmission of signals from a search vessel and an autonomous bottom underwater object, which excludes the possibility of temporary overlap of the emitted and received signals.
На фиг. 5 и фиг. 6 показаны примеры фрагментов сонограмм записей возможных акустических шумов морской акватории поиска, предназначенные для формирования излучаемых в процессе поиска сигналов поискового судна и автономного донного подводного объекта.FIG. 5 and FIG. 6 shows examples of fragments of sonograms of recordings of possible acoustic noises of the sea search area, intended for the formation of signals emitted during the search from a search vessel and an autonomous bottom underwater object.
На фиг. 7 представлен пример возможного ансамбля из четырех комбинированных сигналов маяка-пингера автономного донного подводного объекта, излучаемых в исследуемую акваторию в процессе его поиска.FIG. 7 shows an example of a possible ensemble of four combined pinger beacon signals of an autonomous bottom underwater object, emitted into the investigated water area in the process of its search.
На фиг. 8 и фиг 9 приведены примеры укрупненных структурных схем оборудования поискового судна и автономного донного подводного объекта.FIG. 8 and 9 show examples of enlarged structural diagrams of the equipment of a search vessel and an autonomous bottom underwater object.
На фиг. 10 показан пример размещения четырех гидрофонов судовой пеленгационной антенны диаметрально-ортогональной геометрии в декартовой системе координат.FIG. 10 shows an example of the arrangement of four hydrophones of a ship's direction finding antenna of diametrically orthogonal geometry in a Cartesian coordinate system.
На фиг. 11 представлен схематичный вариант возможного конструктивного исполнения пеленгационной антенны диаметрально-ортогональной геометрии поискового судна шахтного (колодезного) спуска.FIG. 11 shows a schematic variant of a possible design of a direction finding antenna of diametrically orthogonal geometry of a mine (well) run search vessel.
Фиг. 12 поясняет принцип определения местоположения автономного донного подводного объекта в процессе гидроакустического поиска, где обозначены: 1 - поисковое судно; 2 - автономный донный подводный объект; 3 - судовая пеленгационная антенна; 4 - морское дно; ϕ, θ - пеленг и угол места автономного донного подводного объекта соответственно; h - глубина акватории поиска; d - дальность автономного донного подводного объекта; rн - наклонное расстояние между поисковым судном и автономным донным подводным объектом.FIG. 12 explains the principle of determining the location of an autonomous bottom underwater object in the process of hydroacoustic search, where are indicated: 1 - search vessel; 2 - autonomous bottom underwater object; 3 - ship direction finding antenna; 4 - seabed; ϕ, θ are the bearing and elevation angle of the autonomous bottom underwater object, respectively; h - depth of the search area; d is the range of an autonomous underwater bottom object; r n - the slope distance between the search vessel and the autonomous bottom underwater object.
На фиг. 13 и фиг. 14 представлены зависимости абсолютных погрешностей определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна от отношения сигнал/маскирующий шум в навигационной посылке комбинированного сигнала маяка-пингера для ближней и дальней зон гидроакустического поиска.FIG. 13 and FIG. 14 shows the dependences of the absolute errors in determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel on the signal / masking noise ratio in the navigation message of the combined pinger beacon signal for the near and far zones of hydroacoustic search.
Для осуществления скрытного гидроакустического поиска к сигналам, излучаемым с поискового судна и автономного донного подводного объекта в акваторию поиска, предъявляют следующие основные структурные требования:To carry out a covert hydroacoustic search, the following basic structural requirements are imposed on the signals emitted from a search vessel and an autonomous bottom underwater object into the search water area:
- акустическое восприятие излучаемых сигналов должно соответствовать возможному акустическому шумовому фону морской среды;- the acoustic perception of the emitted signals should correspond to the possible acoustic noise background of the marine environment;
- общая структура сигналов должна обеспечивать возможность осуществления асинхронного режима приема-передачи сигналов поискового судна и автономного донного подводного объекта;- the general structure of signals should ensure the possibility of implementing an asynchronous mode of receiving and transmitting signals from a search vessel and an autonomous bottom underwater object;
- из временных циклов излучаемых сигналов должна быть исключена строгая периодичность повторения;- strict repetition frequency should be excluded from the time cycles of the emitted signals;
- излучаемые сигналы должны обладать структурой, позволяющей осуществлять их необходимое различение на фоне флуктуационных шумов морской среды;- the emitted signals should have a structure that allows them to be differentiated against the background of fluctuation noise of the marine environment;
- превышение излучаемых сигналов над фоновыми шумами морской среды должно быть достаточным для их достоверного приема.- the excess of the emitted signals over the background noise of the marine environment should be sufficient for their reliable reception.
Указанным структурным требованиям удовлетворяют гидроакустические сигналы импульсного характера, сформированные на основе соответствующих фрагментов сонограмм записей морских животных, рыб и ракообразных с надлежащим выбором их структуры, амплитудных, временных и частотных параметров.The indicated structural requirements are satisfied by hydroacoustic signals of a pulsed nature, formed on the basis of the corresponding fragments of sonograms of records of marine animals, fish and crustaceans with an appropriate choice of their structure, amplitude, time and frequency parameters.
Рассмотрим подробнее структурные характеристики сигналов поискового судна и автономного донного подводного объекта, предлагаемых к использованию в процессе скрытного гидроакустического поиска.Let us consider in more detail the structural characteristics of the signals of the search vessel and the autonomous bottom underwater object, proposed for use in the process of covert hydroacoustic search.
Сигнал активации a(t) автономного донного подводного объекта (фиг. 1), излучаемый с поискового судна в исследуемую акваторию с интервалом ТА до ответа маяка-пингера автономного донного подводного объекта, имеет две составляющие видаThe activation signal a (t) of the autonomous bottom underwater object (Fig. 1), emitted from the search vessel into the investigated water area with an interval T A before the response of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object, has two components of the form
где q(t1) - стартовая посылка сигнала активации; b(t2) - посылка опознавания сигнала активации; Uq - амплитуда стартовой посылки сигнала активации; Ub - средняя амплитуда импульсов посылки опознавания сигнала активации; Δτ1 - длительность стартовой посылки сигнала активации; Δτ2 - длительность посылки опознавания сигнала активации; ТА - интервал излучения сигнала активации.where q (t 1 ) is the starting message of the activation signal; b (t 2 ) - sending the activation signal identification; U q is the amplitude of the starting message of the activation signal; U b is the average amplitude of the pulses of the activation signal identification message; Δτ 1 is the duration of the starting message of the activation signal; Δτ 2 - duration of the activation signal identification message; T A is the interval of the activation signal emission.
Сигнал всплытия e(t) автономного донного подводного объекта (фиг. 2), излучаемый с поискового судна в акваторию поиска после приближения надводного судна к автономному донному подводному объекту на безопасную дальность его всплытия, имеет две структурно аналогичные сигналу активации (1), составляющие:The ascent signal e (t) of the autonomous bottom underwater object (Fig. 2), emitted from the search vessel into the search water area after the surface vessel approaches the autonomous bottom underwater object at the safe distance of its ascent, has two structurally similar to the activation signal (1), which are:
где g(t1) - стартовая посылка сигнала всплытия; j(t2) - посылка опознавания сигнала всплытия; Ug - амплитуда стартовой посылки сигнала всплытия; Uj - средняя амплитуда импульсов посылки опознавания сигнала всплытия; Δτ3 - длительность стартовой посылки сигнала всплытия; Δτ4 - длительность посылки опознавания сигнала всплытия.where g (t 1 ) - ascent signal starting message; j (t 2 ) - ascent signal identification message; U g is the amplitude of the ascent signal starting message; U j - average pulse amplitude of the ascent signal identification message; Δτ 3 - the duration of the ascent signal starting message; Δτ 4 - duration of the ascent signal identification message.
Формируемый с интервалом повторения ТМ комбинированный сигнал z(t) маяка-пингера автономного донного подводного объекта содержит в частотном диапазоне ΔFz четыре составляющие (фиг. 3) и имеет видFormed at intervals of repetition T M combined signal z (t)-pinger beacon autonomous underwater object comprises a bottom in the frequency range ΔF z four components (FIG. 3) and has the form
где y(t1) - стартовая посылка сигнала маяка-пингера; s(t2) - посылка опознавания сигнала маяка-пингера; х(t3) - гармоническая навигационная посылка сигнала маяка-пингера; m(t3) - маскирующий гармоническую навигационную посылку сигнала маяка-пингера квазибелый шум; ƒ0 - частота колебаний гармонической навигационной посылки сигнала маяка-пингера; Uy - амплитуда стартовой посылки сигнала маяка-пингера; Us - средняя амплитуда импульсов посылки опознавания сигнала маяка-пингера; Ux - амплитуда гармонических колебаний навигационной посылки сигнала маяка-пингера; ϕх - начальная фаза гармонических колебаний навигационной посылки сигнала маяка-пингера; Δτ5 - длительность стартовой посылки сигнала маяка-пингера; Δτ6 - длительность посылки опознавания сигнала маяка-пингера; Δτ7 - длительность гармонической навигационной посылки и маскирующего шума сигнала маяка-пингера; Δτ8 - общая длительность сигнала маяка-пингера; σm - среднеквадратическое отклонение квазибелого шума, маскирующего гармоническую навигационную посылку сигнала маяка-пингера.where y (t1) - starting sending of the pinger beacon signal; s (t2) - sending the identification of the pinger beacon signal; x (t3) - harmonic navigation message of the pinger beacon; m (t3) - quasi-white noise masking the harmonic navigation message of the pinger beacon signal; ƒ0 - oscillation frequency of the harmonic navigation message of the pinger beacon signal; Uy - the amplitude of the starting signal of the pinger beacon; Us - the average pulse amplitude of the pinger beacon identification message; Ux - the amplitude of the harmonic oscillations of the navigation message of the pinger beacon signal; ϕx - the initial phase of harmonic oscillations of the navigation message of the pinger beacon signal; Δτfive - the duration of the starting message of the pinger beacon signal; Δτ6 - the duration of the pinger beacon signal identification message; Δτ7 - the duration of the harmonic navigation message and the masking noise of the pinger beacon signal; Δτ8 - total duration of the pinger beacon signal; σm is the standard deviation of the quasi-white noise masking the harmonic navigation message of the pinger beacon signal.
Принимаемый гидрофонами четырехэлементной гидроакустической пеленгационной антенны поискового судна комбинированный сигнал маяка-пингера z(t) автономного донного подводного объекта после линейного усиления характеризуется соотношениями:The combined signal of the beacon-pinger z (t) of an autonomous underwater object after linear amplification, received by the hydrophones of the four-element hydroacoustic direction finding antenna of the search vessel, is characterized by the following ratios:
где μ1, μ2, μ3, μ4 - коэффициенты, усредненные по частотному диапазону ΔFz сигнала z(t) маяка-пингера автономного донного подводного объекта, обусловленные затуханием акустических колебаний в водной среде акватории поиска, передаточными характеристиками соответствующих гидрофонов пеленгационной антенны и ее линейных усилителей; ϕ1, ϕ2, ϕ3, ϕ4 - фазовые сдвиги гармонических колебаний навигационной посылки, вносимые водной средой распространения сигнала, пространственным разнесением гидрофонов пеленгационной антенны поискового судна и ее линейными усилителями; ξ(t) - фоновый флуктуационный шум водной акватории поиска; σξ - среднеквадратическое отклонение фонового шума.where μ 1 , μ 2 , μ 3 , μ 4 are the coefficients averaged over the frequency range ΔF z of the signal z (t) of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object, caused by the attenuation of acoustic vibrations in the aquatic environment of the search area, the transfer characteristics of the corresponding hydrophones of the direction finding antenna and its line amplifiers; ϕ 1 , ϕ 2 , ϕ 3 , ϕ 4 - phase shifts of harmonic oscillations of the navigation message, introduced by the aquatic medium of signal propagation, the spatial separation of hydrophones of the direction finding antenna of the search vessel and its linear amplifiers; ξ (t) - background fluctuation noise in the water area of the search; σ ξ is the standard deviation of the background noise.
Квадратурные составляющие Y1(t) и Y2(t) сигнала Y(t) частоты ƒ0 с большим отношением сигнал/шум, сформированные на базе высокостабильного судового опорного генератора и необходимые для обработки замаскированных гармонических навигационных посылок маяка-пингера автономного донного подводного объекта, характеризуются как функционально связанные непрерывные гармонические колебания:Quadrature components Y 1 (t) and Y 2 (t) of the signal Y (t) of frequency ƒ 0 with a large signal-to-noise ratio, formed on the basis of a highly stable ship reference generator and necessary for processing masked harmonic navigation messages of the pinger beacon of an autonomous bottom underwater object , are characterized as functionally related continuous harmonic oscillations:
где U0, ϕ0 - амплитуда и начальная фаза колебаний.where U 0 , ϕ 0 - amplitude and initial phase of oscillations.
Общая структура сигналов активации a(t), всплытия e(t) и маяка-пингера z(t) выбрана из соображений реализации асинхронного режима приема-передачи сигналов (фиг. 4) поискового судна и автономного донного подводного объекта с необходимым различением в условиях преимущественно флуктуационных шумов морской среды акватории поиска.The general structure of the activation signals a (t), ascent e (t) and the pinger beacon z (t) was selected from considerations of the implementation of the asynchronous mode of reception and transmission of signals (Fig. 4) of a search vessel and an autonomous bottom underwater object with the necessary distinction in conditions predominantly fluctuation noise of the marine environment of the search area.
Детальная структура сигналов a(t), e(t), z(t) (стартовых посылок q(t1), g(t1), у(t1) и посылок опознавания b(t2), j(t2), s(t2)) ориентирована на использование в качестве составляющих указанных сигналов импульсных фрагментов сонограмм записей звуков морских животных, рыб и ракообразных, присущих известной акватории поиска (при условии их заблаговременной записи) или архивных записей звуков других, схожих по гидрологии, морских территорий.Detailed structure of signals a (t), e (t), z (t) (starting messages q (t 1 ), g (t 1 ), у (t 1 ) and identification messages b (t 2 ), j (t 2 ), s (t 2 )) is aimed at using, as components of the indicated signals, pulse fragments of sonograms of recordings of sounds of sea animals, fish and crustaceans inherent in a known search area (provided they are recorded in advance) or archive recordings of sounds of other, similar in hydrology, marine territories.
При реализации заявляемого способа для стартовых посылок и посылок опознавания выбирают фрагменты сонограммы записей вышеуказанных звуков с ярко выраженным импульсным характером и хорошо различимой на фоне шумов моря внутриимпульсной структурой.When implementing the proposed method for the starting and identification messages, fragments of the sonogram of the recordings of the above sounds with a pronounced impulse character and an intra-impulse structure that are well distinguishable against the background of sea noise are selected.
Навигационная посылка x(t3) комбинированного сигнала z(t) маяка-пингера представляет собой гармонический сигнал заданной частоты и длительности, маскируемый квазибелым шумом m(t3), в качестве которого используют фрагменты сонограмм записей шумов мелкого или глубокого моря в зависимости от предполагаемой глубины акватории поиска.The navigation message x (t 3 ) of the combined signal z (t) of the pinger beacon is a harmonic signal of a given frequency and duration, masked by quasi-white noise m (t 3 ), which is used as fragments of sonograms of recordings of shallow or deep sea noise, depending on the assumed depth of the search area.
Длительности сигналов a(t), e(t), z(t) выбирают с учетом четырех взаимно противоречивых требований:The durations of the signals a (t), e (t), z (t) are selected taking into account four mutually contradictory requirements:
- большая скважность (отношение интервала повторения к длительности) излучаемых сигналов - для снижения акустической заметности процесса поиска автономного донного подводного объекта;- large duty cycle (the ratio of the repetition interval to the duration) of the emitted signals - to reduce the acoustic signature of the search process for an autonomous bottom underwater object;
- достаточная длительность излучаемых сигналов - для получения их хорошего приближения к акустическому шумовому фону морской среды;- sufficient duration of the emitted signals - to obtain them a good approximation to the acoustic noise background of the marine environment;
- ограниченная длительность излучаемых гидроакустических сигналов - для приемлемого времени получения обновляемых параметров местоположения автономного донного подводного объекта в процессе движения поискового судна, особенно на завершающей стадии поиска;- limited duration of the emitted hydroacoustic signals - for an acceptable time to receive updated parameters of the location of the autonomous bottom underwater object during the movement of the search vessel, especially at the final stage of the search;
- достаточная, для определения с необходимой точностью угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна, длительность гармонической навигационной посылки комбинированного сигнала маяка-пингера, маскируемой квазибелым шумом такой же длительности.- sufficient duration of the harmonic navigation message of the combined pinger beacon signal masked by quasi-white noise of the same duration to determine with the required accuracy the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel.
В качестве примера сбалансированного, компромиссного варианта, можно рекомендовать следующие временные параметры составляющих излучаемых гидроакустических сигналов, используемых в предлагаемом способе:As an example of a balanced, compromise option, the following time parameters of the components of the emitted hydroacoustic signals used in the proposed method can be recommended:
- длительности Δτ1, Δτ3, Δτ5 стартовых посылок q(t1), g(t1), y(t1) излучаемых сигналов поискового судна и автономного донного подводного объекта - около 0.02 с;- duration Δτ 1 , Δτ 3 , Δτ 5 starting messages q (t 1 ), g (t 1 ), y (t 1 ) of the emitted signals of the search vessel and the autonomous bottom underwater object - about 0.02 s;
- длительность Δτ2 посылки опознавания b(t2) сигнала активации поискового судна - около 4 с;- duration Δτ 2 of the identification message b (t 2 ) of the search vessel activation signal - about 4 s;
- длительность Δτ4 посылки опознавания j(t2) сигнала всплытия поискового судна - около 3 с;- duration Δτ 4 of the identification message j (t 2 ) of the surfacing vessel surfacing signal - about 3 s;
- длительность Δτ6 посылки опознавания s(t2) комбинированного сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта - около 2 с;- the duration Δτ 6 of the identification message s (t 2 ) of the combined signal of the beacon-pinger of the autonomous bottom underwater object is about 2 s;
- длительность Δτ7 навигационной посылки x(t3) и маскирующего шума m(t3) комбинированного сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта - в пределах 0.1-0.2 с.- the duration Δτ 7 of the navigation message x (t 3 ) and the masking noise m (t 3 ) of the combined signal of the beacon-pinger of the autonomous bottom underwater object is within 0.1-0.2 s.
Требование исключения из временных циклов излучаемых в процессе поиска гидроакустических сигналов строгой периодичности повторения выполнено за счет введения следующих структурных и организационных компонентов:The requirement to exclude from the time cycles emitted during the search for hydroacoustic signals of a strict repetition rate is fulfilled by introducing the following structural and organizational components:
- изменения случайным образом в процессе поиска интервалов повторения ТА, ТМ гидроакустических сигналов активации поискового судна и маяка-пингера автономного донного подводного объекта;- random changes in the search for repetition intervals T A , T M of the hydroacoustic activation signals of the search vessel and the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object;
- формирования из фрагментов сонограмм записей звуков различных морских животных, рыб, ракообразных ансамблей сигналов активации поискового судна и комбинированных сигналов маяка-пингера автономного донного подводного объекта с разным количеством импульсов на выбранных длительностях посылок опознавания и случайным изменением порядка излучения этих сигналов в процессе поиска;- formation from fragments of sonograms of recordings of sounds of various sea animals, fish, crustacean ensembles of activation signals of a search vessel and combined signals of a pinger-beacon of an autonomous bottom underwater object with a different number of pulses at selected durations of identification messages and a random change in the order of emission of these signals during the search;
- число различающихся в ансамбле сигналов активации, сформированных на поисковом судне, и количество импульсов на выбранной длительности посылки опознавания каждого сигнала ансамбля априорно известны на автономном донном подводном объекте;- the number of different activation signals in the ensemble, generated on the search vessel, and the number of pulses for the selected duration of the identification message for each signal of the ensemble are a priori known on the autonomous bottom underwater object;
- число различающихся в ансамбле сигналов маяка-пингера, сформированных на автономном донном подводном объекте, и количество импульсов на выбранной длительности посылки опознавания каждого сигнала ансамбля априорно известны на поисковом судне.- the number of different in the ensemble pinger beacon signals formed on the autonomous bottom underwater object, and the number of pulses at the selected duration of the identification message of each signal of the ensemble are a priori known on the search vessel.
Для обеспечения в процессе поиска асинхронного режима приема-передачи (см. фиг. 4), исключающего перекрытие по времени излучаемых и принимаемых гидроакустических сигналов на поисковом судне и автономном донном подводном объекте, случайные интервалы повторения гидроакустических сигналов активации ТА поискового судна и маяка-пингера ТМ автономного донного подводного объекта должны быть больше соответствующих минимально допустимых величин ТА>TA min, ТМ>TM min, которые выбирают, используя следующие расчетные соотношения:To ensure in the search process an asynchronous transmission and reception mode (see Fig. 4), which excludes the overlap in time of the emitted and received hydroacoustic signals on the search vessel and the autonomous bottom underwater object, random intervals of repetition of the hydroacoustic activation signals T A of the search vessel and the pinger beacon T M of an autonomous bottom underwater object must be greater than the corresponding minimum permissible values T A > T A min , T M > T M min , which are selected using the following calculation ratios:
где Δτ2 - длительность посылки опознавания сигнала активации поискового судна; Δτ4 - длительность посылки опознавания сигнала всплытия поискового судна; Δτ8 - общая длительность сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта; cmin - минимально возможная скорость звука в морской воде; rн max - прогнозируемое максимально возможное наклонное расстояние от поискового судна до автономного донного подводного объекта при их акустическом контакте в акватории поиска.where Δτ 2 is the duration of the identification message of the search vessel activation signal; Δτ 4 is the duration of the identification message of the surfacing vessel surfacing; Δτ 8 is the total duration of the pinger beacon signal of the autonomous bottom underwater object; c min is the minimum possible speed of sound in seawater; r n max is the predicted maximum possible slope distance from the search vessel to the autonomous bottom underwater object during their acoustic contact in the search water area.
Так, например, для рекомендованных выше значений длительности излучаемых гидроакустических сигналов Δτ2=4 с, Δτ4=3 с, Δτ8=2.2 с и величин cmin=1400 м/с, rн max=3000 м изменяемые случайным образом интервалы повторения ТА гидроакустических сигналов активации поискового судна должны быть не менее 17 с, а изменяемые также случайным образом интервалы повторения ТМ гидроакустических сигналов маяка-пингера автономного донного подводного объекта - не менее 8 с.So, for example, for the recommended above values of the duration of the emitted hydroacoustic signals Δτ 2 = 4 s, Δτ 4 = 3 s, Δτ 8 = 2.2 s and values c min = 1400 m / s, r n max = 3000 m, randomly variable repetition intervals T A of the hydroacoustic signals of the search vessel activation must be at least 17 s, and the repetition intervals T M of the hydroacoustic signals of the pinger beacon of an autonomous bottom underwater object must be at least 8 s.
Посылки опознавания из ансамблей сигналов поискового судна или маяка-пингера автономного донного подводного объекта считают достоверно принятыми, если принято априорно известное на выбранной длительности посылок ансамбля количество импульсов, взятых из сонограмм записей звуков одного или нескольких морских животных, рыб или ракообразных, имеющих соответствующую форму и внутриимпульсную структуру для обеспечения возможного акустического шумового фона в акватории поиска.Recognition parcels from signal ensembles of a search vessel or a pinger-beacon of an autonomous bottom underwater object are considered to be reliably received if the number of impulses known a priori for the selected duration of the ensemble's parcels is accepted, taken from sonograms of recordings of sounds of one or more marine animals, fish or crustaceans, having a corresponding shape and intra-impulse structure to provide a possible acoustic noise background in the search area.
Состав и структуру зондирующих импульсов судового эхолота, на основе соответствующих импульсных фрагментов сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных, видоизменяют таким образом, чтобы их количество и внутриимпульсная окраска соответствовали возможному гибридному шумовому фону морской среды, а интервалы следования импульсов задают, исходя из априорно известной или предполагаемой максимальной глубины акватории поиска. Кроме этого, количество зондирующих импульсов эхолота на интервале времени равном длительности сигнала всплытия не должно совпадать с общим числом импульсов в сигнале всплытия для исключения возможности приема на автономном донном подводном объекте сигнала эхолота в качестве сигнала всплытия.The composition and structure of sounding pulses of a ship echo sounder, based on the corresponding pulse fragments of sonograms of recordings of sounds of sea animals, fish, crustaceans, are modified in such a way that their number and intra-pulse color correspond to the possible hybrid noise background of the marine environment, and the pulse repetition intervals are set based on a priori known or assumed maximum depth of the search area. In addition, the number of echo sounder sounding pulses at a time interval equal to the ascent signal duration should not coincide with the total number of pulses in the ascent signal to exclude the possibility of receiving the echo sounder signal as an ascent signal on an autonomous bottom underwater object.
Соотношения амплитуд составляющих сигналов a(t), e(t), z(t) при их формировании из фрагментов соответствующих сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных и шумов моря, с учетом основных структурных требований обеспечения возможного шумового фона акватории поиска, необходимого различения используемых импульсных сигналов и их достоверного приема в условиях флуктуационных шумов морской среды, устанавливают на основе следующих дополнительных обстоятельств:The ratios of the amplitudes of the signal components a (t), e (t), z (t) when they are formed from the fragments of the corresponding sonograms of the recordings of the sounds of marine animals, fish, crustaceans and sea noises, taking into account the main structural requirements for ensuring a possible noise background of the search area, necessary the distinction between the used pulse signals and their reliable reception under conditions of fluctuation noise of the marine environment is established on the basis of the following additional circumstances:
- при осуществлении достоверного приема с интегрированием последовательности импульсов, имеющих существенно разные длительности, для получения соизмеримых уровней их огибающих, амплитуды импульсов малой длительности должны быть больше амплитуд импульсов большой длительности;- when performing reliable reception with the integration of a sequence of pulses having significantly different durations, in order to obtain comparable levels of their envelopes, the amplitudes of short-duration pulses must be greater than the amplitudes of long-duration pulses;
- для обеспечения достаточной маскировки регулярной составляющей (гармонической навигационной посылки) в сигнале маяка-пингера автономного донного подводного объекта среднеквадратическое отклонение квазибелого шума, маскирующего гармоническую навигационную посылку, должно быть значительно больше амплитуды гармонической посылки.- to ensure sufficient masking of the regular component (harmonic navigation message) in the pinger beacon signal of an autonomous bottom underwater object, the root-mean-square deviation of the quasi-white noise masking the harmonic navigation message should be much greater than the amplitude of the harmonic message.
С учетом указанных обстоятельств, рекомендуются следующие амплитудные параметры составляющих излучаемых гидроакустических сигналов, используемых в заявляемом способе:Taking into account these circumstances, the following amplitude parameters of the components of the emitted hydroacoustic signals used in the claimed method are recommended:
- превышение амплитуд Uq, Ug, Uy стартовых посылок сигналов активации, всплытия поискового судна и маяка-пингера автономного донного подводного объекта над средними амплитудами Ub, Uj, Us импульсов посылок опознавания указанных сигналов - около 15 дБ;- the excess of the amplitudes U q , U g , U y of the starting signals of the activation signals, the surfacing of the search vessel and the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object over the average amplitudes U b , U j , U s of the pulses of the signals of the identification of these signals is about 15 dB;
- превышение среднеквадратического отклонения σm квазибелого шума, маскирующего навигационную посылку сигнала маяка-пингера, над амплитудой Ux гармонических колебаний посылки - около 20 дБ.- the excess of the standard deviation σ m of the quasi-white noise masking the navigation message of the pinger beacon signal over the amplitude U x of the harmonic oscillations of the message is about 20 dB.
- превышение среднеквадратического отклонения σm квазибелого шума, маскирующего навигационную посылку сигнала маяка-пингера, над фоновыми шумами σξ среды акватории поиска - около 30 дБ.- the excess of the standard deviation σ m of the quasi-white noise masking the navigation message of the pinger beacon signal over the background noise σ ξ of the search water area environment is about 30 dB.
Превышение средних амплитуд Ub, Uj, Us импульсов посылок опознавания сигналов активации, всплытия поискового судна и маяка-пингера автономного донного подводного объекта над фоновыми шумами σξ акватории поиска, достаточное для их достоверного приема, должно быть в пределах 20 дБ. Этот параметр относится к категории априорно неподконтрольных, поскольку в значительной степени зависит от излучаемой с объектов взаимодействия акустической мощности сигналов, частоты импульсов посылок опознавания, фоновых шумов акватории и наклонного расстояния от поискового судна до автономного донного подводного объекта при их акустическом контакте.The excess of the average amplitudes U b , U j , U s of the pulses of the signals of the activation signals, the surfacing of the search vessel and the pinger beacon of the autonomous underwater object above the background noise σ ξ of the search water area, sufficient for their reliable reception, should be within 20 dB. This parameter belongs to the category of a priori uncontrollable, since it largely depends on the acoustic power of signals emitted from objects of interaction, the frequency of pulses of identification parcels, background noise of the water area and the inclined distance from the search vessel to the autonomous bottom underwater object during their acoustic contact.
Характеристики приемного и передающего оборудования поискового судна и автономного донного подводного объекта, достаточные для получения указанных параметров принимаемых сигналов с учетом возможной энергетики гидроакустического канала, приведены при рассмотрении технической реализации заявляемого способа.The characteristics of the receiving and transmitting equipment of the search vessel and the autonomous bottom underwater object, sufficient to obtain the specified parameters of the received signals, taking into account the possible energy of the hydroacoustic channel, are given when considering the technical implementation of the proposed method.
Спектральный анализ сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных и шумов моря различных акваторий, имеющихся в распоряжении авторов заявляемого способа, показал следующее:Spectral analysis of sonograms of recordings of sounds of sea animals, fish, crustaceans and sounds of the sea of various water areas, available to the authors of the proposed method, showed the following:
- импульсные фрагменты сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных, которые могут быть использованы для формирования излучаемых сигналов поискового судна и автономного донного подводного объекта в процессе поиска, имеют преобладающий частотный диапазон колебаний от 100 Гц до 8 кГц;- pulse fragments of sonograms of records of sounds of sea animals, fish, crustaceans, which can be used to form the emitted signals of a search vessel and an autonomous bottom underwater object in the search process, have a predominant frequency range of oscillations from 100 Hz to 8 kHz;
- фрагменты сонограмм записей шумов мелкого моря обладают преимущественно частотным диапазоном колебаний от 20 Гц до 20 кГц;- fragments of sonograms of recordings of shallow sea noises have a predominantly frequency range of oscillations from 20 Hz to 20 kHz;
- во фрагментах сонограмм записей шумов глубокого моря превалирует частотный диапазон колебаний от 500 Гц до 20 кГц.- in fragments of sonograms of recordings of deep sea noise, the frequency range of oscillations prevails from 500 Hz to 20 kHz.
Указанные частотные диапазоны, определяющие возможные частотные спектры излучаемых в процессе поиска сигналов, позволяют оценить максимально необходимые полосы пропускания приемных и передающих трактов оборудования взаимодействующих объектов:The indicated frequency ranges, which determine the possible frequency spectra of signals emitted during the search process, make it possible to estimate the maximum required bandwidth of the receiving and transmitting paths of the equipment of interacting objects:
- полосы пропускания приемного тракта автономного донного подводного объекта и передающего тракта поискового судна - около 8 кГц;- the bandwidth of the receiving path of the autonomous underwater object and the transmitting path of the search vessel - about 8 kHz;
- полосы пропускания передающего тракта автономного донного подводного объекта и приемных пеленгационных трактов поискового судна - около 20 кГц.- the bandwidth of the transmitting path of the autonomous bottom underwater object and the receiving direction finding paths of the search vessel is about 20 kHz.
Для приемлемой технической реализации заявляемого способа и получения необходимой точности определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна в процессе его гидроакустического поиска, можно рекомендовать следующие соотношения частотных параметров сигнала навигационной посылки и квазибелого маскирующего шума в процессе передачи и приема комбинированного сигнала маяка-пингера:For an acceptable technical implementation of the proposed method and obtaining the required accuracy in determining the angular coordinates of an autonomous underwater bottom object relative to a search vessel in the process of its hydroacoustic search, the following ratios of the frequency parameters of the navigation message signal and quasi-white masking noise during transmission and reception of the combined pinger beacon signal can be recommended:
- частоту ƒ0 гармонических колебаний навигационной посылки выбирают из условий приемлемых габаритных размеров пеленгационной антенны поискового судна и ее конструктивного размещения на судне с соблюдением требования: , где cmin - минимально возможная скорость распространения звука в морской среде, А - расстояние между парами гидрофонов антенны в горизонтальной плоскости, - рекомендуемые значения частот - в пределах 2-4 кГц;- the frequency ƒ 0 of the harmonic oscillations of the navigation message is selected from the conditions of acceptable overall dimensions of the direction finding antenna of the search vessel and its structural placement on the vessel in compliance with the requirement: , where c min is the minimum possible speed of sound propagation in the marine environment, A is the distance between pairs of antenna hydrophones in the horizontal plane, - the recommended frequency values are within 2-4 kHz;
- частотные параметры квазибелого шума, маскирующего навигационную посылку сигнала маяка-пингера, выбирают, исходя из необходимой точности определения угловых координат автономного донного подводного объекта в процессе его гидроакустического поиска, задавая превышение нижней граничной частоты его спектра Fшн над частотой ƒ0 гармонических колебаний навигационной посылки не менее 5 раз, а верхнюю граничную частоту Fшв спектра шума согласовывают с верхней границей полосы пропускания передающего тракта автономного донного подводного объекта.- the frequency parameters of the quasi-white noise masking the navigation message of the pinger beacon signal are selected based on the required accuracy of determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object in the process of its hydroacoustic search, setting the excess of the lower boundary frequency of its spectrum F shn over the frequency гармон 0 of harmonic oscillations of the navigation message at least 5 times, and the upper cutoff frequency F wel of the noise spectrum is matched with the upper border of the passband of the transmission path of the autonomous bottom underwater object.
На фиг. 5 и фиг. 6а показаны примеры фрагментов сонограмм записей возможных акустических шумов морской акватории поиска, ограниченных диапазоном частот от 100 Гц до 8 кГц. На фиг. 5а - фрагмент записи звуков морских львов длительностью 5.5 с. На фиг. 5б - фрагмент записи звуков морских котиков длительностью 5 с. На фиг. 5в - фрагмент записи звуков китов длительностью 12 с. На фиг. 5г - фрагмент записи звуков рыб горбылей длительностью 4.5 с. На фиг. 6а - фрагмент записи звуков рыб барабанщиков длительностью 2.5 с.FIG. 5 and FIG. 6a shows examples of fragments of sonograms of records of possible acoustic noises of the sea search area, limited by the frequency range from 100 Hz to 8 kHz. FIG. 5a - a fragment of the recording of the sounds of sea lions with a duration of 5.5 s. FIG. 5b - a fragment of the recording of the sounds of fur seals with a duration of 5 s. FIG. 5c - a fragment of the recording of whale sounds with a duration of 12 s. FIG. 5d - a fragment of the recording of the sounds of croaker fish with a duration of 4.5 s. FIG. 6a - a fragment of the recording of drummer fish sounds, 2.5 s long.
На фиг. 6б и фиг. 6в представлены примеры фрагментов сонограмм записей шумов глубокого и мелкого моря соответственно, ограниченных диапазоном частот от 100 Гц до 20 кГц, с длительностью фрагментов 2.2 с.FIG. 6b and FIG. 6c shows examples of fragments of sonograms of recordings of deep and shallow sea noises, respectively, limited to the frequency range from 100 Hz to 20 kHz, with a fragment duration of 2.2 s.
На фиг. 6г приведена видоизмененная структура сигналов судового эхолота с импульсами, акустически окрашенными под звуки рыб, морских котиков и китов.FIG. 6d shows a modified structure of signals from a ship echo sounder with pulses acoustically colored to the sounds of fish, fur seals and whales.
На фиг. 7 представлен пример возможного ансамбля из четырех комбинированных сигналов маяка-пингера автономного донного подводного объекта, сформированных на основе вышеуказанных сонограмм записей: а) рыб барабанщиков, китов и шумов глубокого моря (два импульса на посылке опознавания); б) рыб барабанщиков, морских котиков и шумов глубокого моря (четыре импульса на посылке опознавания); в) рыб барабанщиков, морских львов и шумов глубокого моря (пять импульсов на посылке опознавания); г) рыб барабанщиков, рыб горбылей и шумов глубокого моря (девять импульсов на посылке опознавания). Сигналы ансамбля имеют следующие временные параметры: общая длительность сигнала 2.22 с, длительность посылки опознавания 2 с, длительность навигационной посылки 0.2 с, длительность стартовой посылки 0.02 с. Превышения амплитуд стартовых импульсов над средними амплитудами импульсов посылок опознавания и средними амплитудами зашумленных квазибелым шумом гармонических навигационных посылок в сигналах ансамбля составляют около 12 дБ.FIG. 7 shows an example of a possible ensemble of four combined pinger beacon signals of an autonomous bottom underwater object formed on the basis of the above recording sonograms: a) drummer fish, whales and deep sea noises (two pulses on the identification message); b) drummer fish, fur seals and deep sea noises (four pulses on the identification message); c) drummer fish, sea lions and deep sea noises (five impulses on the identification message); d) drummer fish, croaker fish and deep sea noises (nine pulses on the identification message). The ensemble signals have the following time parameters: the total signal duration is 2.22 s, the identification message duration is 2 s, the navigation message duration is 0.2 s, and the starting message duration is 0.02 s. The excess of the amplitudes of the starting pulses over the average amplitudes of the pulses of the identification parcels and the average amplitudes of the harmonic navigation parcels noisy with quasi-white noise in the ensemble signals are about 12 dB.
Для реализации заявляемого способа поисковое судно и автономный донный подводный объект оснащают соответствующим оборудованием.To implement the proposed method, the search vessel and the autonomous bottom underwater object are equipped with appropriate equipment.
На фиг. 8 приведен пример укрупненной структурной схемы оборудования поискового судна, где обозначены: пеленгационная гидроакустическая антенна (ПГА); блок цифровой обработки сигналов (ЦОС); блок опознавания сигналов маяка-пингера (ОСМП); блок формирования излучаемых сигналов (ФИС); 1 - гидрофоны пеленгационной гидроакустической антенны; 2, 3 - коммутаторы сигналов пеленгационной антенны; 4 - полосовые усилители сигналов; 5 - аналого-цифровые преобразователи; 6 - вычислитель; 7 - блок вспомогательных гармонических сигналов с высокостабильным опорным генератором; 8 - блок централизованного управления, хранения и отображения информации; 9 - пороговое устройство; 10 - первый линейный детектор; 11 - второй линейный детектор; 12 - компаратор; 13 - счетчик импульсов; 14 - слабонаправленная передающая гидроакустическая антенна; 15 - усилитель мощности; 16 - mp3-плеер.FIG. 8 shows an example of an enlarged structural diagram of the equipment of a search vessel, where the following are indicated: hydroacoustic direction finding antenna (PGA); digital signal processing unit (DSP); pinger beacon signal identification unit (OSMP); emitted signal generating unit (FIS); 1 - hydrophones of the direction finding hydroacoustic antenna; 2, 3 - DF antenna signal switches; 4 - band signal amplifiers; 5 - analog-to-digital converters; 6 - calculator; 7 - block of auxiliary harmonic signals with a highly stable reference generator; 8 - block for centralized control, storage and display of information; 9 - threshold device; 10 - the first linear detector; 11 - the second linear detector; 12 - comparator; 13 - pulse counter; 14 - weakly directional transmitting hydroacoustic antenna; 15 - power amplifier; 16 - mp3 player.
На фиг. 9 представлен пример укрупненной структурной схемы оборудования автономного донного подводного объекта, где обозначены: блок опознавания сигналов активации и всплытия поискового судна (ОСАВ); блок формирования комбинированных сигналов маяка-пингера (ФКСМП); 17 - слабонаправленная приемная гидроакустическая антенна; 18 - коммутатор сигналов приемной антенны; 19 - слабонаправленная передающая гидроакустическая антенна; 20 - полосовой усилитель сигналов; 21 - пороговое устройство; 22 - первый линейный детектор; 23 - второй линейный детектор; 24 - компаратор; 25 - счетчик импульсов сигнала активации; 26 - счетчик импульсов сигнала всплытия; 27 - усилитель мощности; 28 - mp3-плеер; 29 - блок автономного управления и хранения информации с высокостабильным опорным генератором; 30 - источник питания.FIG. 9 shows an example of an enlarged block diagram of the equipment of an autonomous bottom underwater object, where the following are indicated: a unit for identifying activation and surfacing signals of a search vessel (OSAV); a unit for generating combined pinger beacon signals (FKSMP); 17 - weakly directional receiving hydroacoustic antenna; 18 - switch of receiving antenna signals; 19 - weakly directional transmitting hydroacoustic antenna; 20 - band-pass signal amplifier; 21 - threshold device; 22 - the first linear detector; 23 - the second linear detector; 24 - comparator; 25 - pulse counter of activation signal; 26 - ascent signal pulse counter; 27 - power amplifier; 28 - mp3 player; 29 - block for autonomous control and storage of information with a highly stable reference generator; 30 - power supply.
Сущность и пример технической реализации заявляемого способа предполагают выполнение определенных действий, процедур и операций, которые целесообразно разделить на следующие этапы.The essence and an example of the technical implementation of the proposed method involves the implementation of certain actions, procedures and operations, which it is advisable to divide into the following stages.
1. На поисковом судне, при подготовке миссии автономного подводного объекта, устанавливают оборудование, показанное на фиг. 8. В исходном состоянии выходы гидрофонов 1 четырехэлементной ПГА соединены через коммутаторы 2 и 3 сигналов пеленгационной антенны с входами полосовых 4 усилителей сигналов.1. On the search vessel, in preparation for the mission of the autonomous underwater object, the equipment shown in FIG. 8. In the initial state, the outputs of the
Четырехэлементную ПГА реализуют на основе геометрии прямого параллелепипеда с основаниями, имеющими форму квадрата, с попарным размещением гидрофонов в геометрических точках пространства, соответствующих противоположным вершинам верхнего и нижнего оснований, обеспечивая пространственную перпендикулярность линий, соединяющих пары гидрофонов верхнего и нижнего оснований, при этом вертикальная ось антенны проходит через точки пересечения диагоналей оснований, длину диагоналей оснований параллелепипеда (расстояние между парами гидрофонов антенны в горизонтальной плоскости) выбирают из условий судового конструктивного размещения антенны, а высоту параллелепипеда (расстояние между парами гидрофонов антенны в вертикальной плоскости) уменьшают в два раза относительно длины выбранных диагоналей оснований.The four-element PHA is implemented on the basis of the geometry of a right parallelepiped with bases in the shape of a square, with pairwise placement of hydrophones at geometric points in space corresponding to opposite vertices of the upper and lower bases, ensuring the spatial perpendicularity of the lines connecting the pairs of hydrophones of the upper and lower bases, while the vertical axis of the antenna passes through the points of intersection of the diagonals of the bases, the length of the diagonals of the bases of the parallelepiped (the distance between the pairs of antenna hydrophones in the horizontal plane) is chosen from the conditions of the ship's structural arrangement of the antenna, and the height of the parallelepiped (the distance between the pairs of the antenna hydrophones in the vertical plane) is halved relative to the length of the selected diagonals grounds.
Пример размещения гидрофонов ПГА в декартовой системе координат показан на фиг. 10, где Г1(х1,у1,z1), Г2(х2,y2,z2), Г3(х3,у3,z3), Г4(х4,у4,z4) - координаты гидрофонов; А - расстояние между парами гидрофонов антенны в горизонтальной плоскости; В - расстояние между парами гидрофонов антенны в вертикальной плоскости; ϕ, θ - области пеленгов и углов места автономного донного подводного объекта соответственно. Пространством приема представленной геометрии антенны считается область нижнего полупространства, ограниченная координатными полуосями X,-X,Y,-Y,-Z.An example of the placement of PHA hydrophones in a Cartesian coordinate system is shown in Fig. 10, where G 1 (x 1 , y 1 , z 1 ), G 2 (x 2 , y 2 , z 2 ), G 3 (x 3 , y 3 , z 3 ), G 4 (x 4 , y 4 , z 4 ) - coordinates of hydrophones; A is the distance between pairs of antenna hydrophones in the horizontal plane; B is the vertical distance between the pairs of antenna hydrophones; ϕ, θ are the areas of bearings and elevation angles of the autonomous bottom underwater object, respectively. The receiving space of the presented antenna geometry is the region of the lower half-space bounded by the coordinate semiaxes X, -X, Y, -Y, -Z.
Соотношение горизонтального и вертикального размеров пеленгационной антенны диаметрально-ортогональной геометрии выбирают с учетом минимизации общих габаритов антенны в условиях судовой эксплуатации и уменьшения аппаратно-программных затрат при определении угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна. При этом контролируют выполнение условия фазового соответствия: , где cmin - минимально возможная скорость распространения звука в морской среде, ƒ0 - частота гармонических колебаний навигационной посылки. Один из вариантов возможных размеров ПГА шахтного (колодезного) спуска представлен на фиг. 11, который использован для количественной оценки точности позиционирования подводного объекта в заявляемом способе. При установке антенны согласовывают систему координат ПГА с курсом судна.The ratio of the horizontal and vertical dimensions of the direction-finding antenna of diametrically-orthogonal geometry is selected taking into account the minimization of the overall dimensions of the antenna in the conditions of ship operation and the reduction of hardware and software costs in determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel. In this case, the fulfillment of the phase correspondence condition is monitored: , where c min is the minimum possible speed of sound propagation in the marine environment, ƒ 0 is the frequency of harmonic oscillations of the navigation message. One of the options for the possible dimensions of the PHA of the mine (well) run is shown in Fig. 11, which is used to quantify the positioning accuracy of an underwater object in the claimed method. When installing the antenna, the PGA coordinate system is aligned with the course of the vessel.
Синтезируют в формате mp3 из импульсных фрагментов сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных ансамбль сигналов активации a(t) с выбранными амплитудными параметрами, частотным спектром, длительностью посылки опознавания Δτ2 и заносят в память mp3-плеера 16 блока ФИС.An ensemble of activation signals a (t) with the selected amplitude parameters, frequency spectrum, the duration of the identification message Δτ 2 is synthesized in the mp3 format from the pulse fragments of sonograms of the recordings of the sounds of sea animals, fish, crustaceans and stored in the memory of the
Синтезируют в формате mp3 из импульсных фрагментов сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных сигнал всплытия e(t) с выбранными амплитудными параметрами, частотным спектром, длительностью посылки опознавания Δτ4 и также заносят в память mp3-плеера 16 блока ФИС.The ascent signal e (t) with the selected amplitude parameters, frequency spectrum, the duration of the identification message Δτ 4 is synthesized from the pulse fragments of sonograms of the recordings of the sounds of sea animals, fish, crustaceans, and is also stored in the memory of the
В память блока 8 централизованного управления заносят данные о числе различающихся в ансамбле комбинированных сигналов z(t) маяка-пингера, сформированных на автономном донном подводном объекте, и количестве импульсов на выбранной длительности Δτ6 посылки опознавания каждого сигнала ансамбля.The memory of the
Используя штатное оборудование эхолота поискового судна, связанное с вычислителем 6 и блоком 8 централизованного управления, видоизменяют состав и структуру зондирующих импульсов судового эхолота на основе соответствующих импульсных фрагментов сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных таким образом, чтобы их количество и внутриимпульсная окраска соответствовали возможному гибридному шумовому фону морской среды, а интервалы следования импульсов задают, исходя из априорно известной или предполагаемой максимальной глубины акватории поиска, при этом количество зондирующих импульсов эхолота на интервале времени равном длительности сигнала всплытия не должно совпадать с общим числом импульсов в сигнале всплытия.Using the standard equipment of the echo sounder of the search vessel, connected with the
2. Оснащают, при подготовке миссии, автономный подводный объект оборудованием, представленным на фиг. 9. Выполняют инициализацию программных средств блока 29 автономного управления, имеющего в своем составе высокостабильный опорный генератор. В исходном состоянии выход слабонаправленной приемной гидроакустической антенны 17 соединен через коммутатор 18 сигналов приемной антенны с входом полосового 20 усилителя сигналов.2. Equip, in mission preparation, the autonomous underwater object with the equipment shown in FIG. 9. Initialize the software of the
Синтезируют в формате mp3 из импульсных фрагментов сонограмм записей звуков морских животных, рыб, ракообразных, а также шумов морской среды ансамбль комбинированных сигналов z(t) маяка-пингера с выбранными амплитудными параметрами, частотным спектром, длительностью посылки опознавания Δτ6 и заносят в память mp3-плеера 28 блока ФКСМП.Is synthesized in a format mp3 from pulsed fragments sonograms records marine animal sounds, fish, crustaceans, as well as noise marine environment ensemble combined signal z (t)-pinger beacon with selected amplitude parameters, frequency spectrum, duration parcel identification Δτ 6 and enter into memory mp3 -
В память блока 29 автономного управления заносят данные о числе различающихся в ансамбле сигналов активации a(t), сформированных на поисковом судне, и количестве импульсов на выбранной длительности Δτ2 посылки опознавания каждого сигнала ансамбля.The memory of the
В память блока 29 автономного управления также заносят данные о длительности посылки опознавания Δτ4 сигнала всплытия e(t), сформированного на поисковом судне, и количестве импульсов на этой посылке.The memory of the
3. Осуществляют перед поиском процедуру калибровки усилительных трактов четырехэлементной ПГА поискового судна, которая предполагает выполнение следующих действий и операций.3. Before the search, the procedure for calibrating the amplifying paths of the four-element PHA of the search vessel is carried out, which assumes the following actions and operations.
По команде из блока 8 централизованного управления коммутаторами 2 отключают выходы гидрофонов 1 четырехэлементной ПГА от входов полосовых 4 усилителей. Через коммутаторы 3 сигналов пеленгационной антенны на входы полосовых 4 усилителей сигналов подают из блока 7 вспомогательных гармонических сигналов, с высокостабильным опорным генератором, непрерывный гармонический сигнал uк(t) известной на поисковом судне частоты ƒ0 сигнала навигационной посылки маяка-пингера автономного донного подводного объекта с большим отношением сигнал/шум:On command from the
где Uк, ϕк - амплитуда и начальная фаза колебаний калибровочного сигнала.where U to , ϕ to - amplitude and initial phase of oscillations of the calibration signal.
После усиления и фильтрации полосовыми 4 усилителями сигналы в каждом приемном тракте описываются следующими зависимостями:After amplification and filtering by 4 band-pass amplifiers, the signals in each receiving path are described by the following dependencies:
где χ1, χ2, χ3, χ4 - параметры, учитывающие коэффициенты усиления полосовых 4 усилителей; ν1, ν2, ν3, ν4 - фазовые сдвиги, обусловленные разбросом фазочастотных характеристик этих усилителей.where χ 1 , χ 2 , χ 3 , χ 4 are parameters that take into account the gains of 4 bandpass amplifiers; ν 1 , ν 2 , ν 3 , ν 4 - phase shifts due to the spread of the phase-frequency characteristics of these amplifiers.
Сигналы H1(t), H2(t), H3(t), H4(t) подвергают посредством аналого-цифровых 5 преобразователей, с соответствующим управлением из блока 8 централизованного управления, синхронной дискретизации с кратным четырем количеством отсчетов k на периоде колебаний и общим числом отсчетов L в выборке.The signals H 1 (t), H 2 (t), H 3 (t), H 4 (t) are subjected by means of analog-to-
В память вычислителя 6 заносят четыре массива Н1(n), Н2(n), Н3(n), Н4(n) выборок сигналов:Four arrays H1 (n), H2 (n), H3 (n), H4 (n) of signal samples are entered into the memory of the calculator 6:
где n - порядковый номер отсчета в выборке, а параметры k и L, связаны соотношениями: L=1.25k, k>3⋅103.where n is the ordinal number of the sample in the sample, and the parameters k and L are related by the relations: L = 1.25k, k> 3⋅10 3 .
Далее в вычислителе 6, под управлением блока 8 централизованного управления, выполняют следующие программные операции.Further, in the
Осуществляют нормирование отсчетов массивов Н1(n), Н2(n), Н3(n), Н4(n) выборок сигналов путем их представления своими знаками по правилу:Standardization of samples of the arrays Н1 (n), Н2 (n), Н3 (n), Н4 (n) of signal samples is carried out by representing them with their own signs according to the rule:
Вычисляют и запоминают вспомогательные корреляционные параметры β1, γ1, β2, γ2, β3, γ3:The auxiliary correlation parameters β 1 , γ 1 , β 2 , γ 2 , β 3 , γ 3 are calculated and stored:
Рассчитывают и запоминают разности фаз ΔΨ12, ΔΨ13, ΔΨ14, колебаний калибровочного сигнала uк(t) на выходах трех пар полосовых 4 усилителей сигналов пеленгационной антенны, являющиеся калибровочными поправками:Calculate and store the phase differences ΔΨ 12 , ΔΨ 13 , ΔΨ 14 , oscillations of the calibration signal u to (t) at the outputs of three pairs of 4 bandpass amplifiers of DF antenna signals, which are calibration corrections:
После завершения процедуры калибровки усилительных трактов выходы гидрофонов 1 ПГА вновь подключают к входам полосовых 4 усилителей сигналов.After completing the calibration procedure of the amplifying paths, the outputs of the
4. При движении поискового судна по акватории поиска, по командам из блока 8 централизованного управления, поступающим в mp3-плеер 16 блока ФИС, связанный с усилителем 15 мощности, подключенным к слабонаправленной передающей гидроакустической антенне 14, излучают в водную среду пространства нижней полусферы, относительно поискового судна, ансамбль сформированных на этапе 1 гидроакустических сигналов активации a(t) автономного донного подводного объекта со случайным чередованием излучаемых сигналов ансамбля и случайно изменяющимся интервалом ТА их повторения, превышающих фоновые шумы акватории поиска, при этом на время излучения каждого сигнала ансамбля выходы гидрофонов 1 ПГА отключают с помощью коммутаторов 2 сигналов пеленгационной антенны от входов полосовых 4 усилителей сигналов.4. When the search vessel moves through the search water area, according to commands from the
5. При входе поискового судна в зону акустического контакта с автономным донным подводным объектом и достоверном приеме на автономном донном подводном объекте одного из сигналов, излучаемого поисковым судном ансамбля сигналов активации a(t), переводят соответствующее оборудование автономного донного подводного объекта из спящего в рабочий режим.5. When the search vessel enters the zone of acoustic contact with the autonomous bottom underwater object and reliable reception on the autonomous bottom underwater object of one of the signals emitted by the search vessel of the ensemble of activation signals a (t), the corresponding equipment of the autonomous bottom underwater object is transferred from the sleeping mode to the operating mode ...
Прием и обработку сигналов активации на автономном донном подводном объекте осуществляют посредством слабонаправленной приемной гидроакустической антенны 17 и устройств блока ОСАВ под управлением блока 29 автономного управления. Для этого:Reception and processing of activation signals on the autonomous bottom underwater object is carried out by means of a weakly directional receiving
- полосовым усилителем 20 доводят уровень принимаемых антенной 17 сигналов до величины, необходимой для функционирования остальных устройств блока ОСАВ;- the band-
- с помощью порогового устройства 21 фиксируют появление стартовой посылки q(t1) сигнала активации и запускают счетчики импульсов 25 и 26;- with the help of the
- линейными детекторами 22 и 23, имеющими существенно разные постоянные времени цепей интегрирования, осуществляют формирование порогового уровня обнаружения принимаемых сигналов и выделение огибающих импульсов сигнала активации на посылке опознавания b(t2) для последующего получения последовательности импульсов с уровнями цифровой логики при помощи компаратора 24.-
Поскольку в памяти блока 29 автономного управления имеются необходимые данные о разрешенных для приема сигналах a(t) активации: числе различающихся в ансамбле сигналов, количестве импульсов на выбранной длительности Δτ2 посылки опознавания каждого сигнала ансамбля (см. этап 2), то при совпадении количества импульсов, подсчитанных счетчиком 25 на известной длительности посылки опознавания, с количеством импульсов на посылке опознавания одного из разрешенных для приема сигналов, принимают решение о приеме сигнала активации.Since the memory of the
После этого по команде из блока 29 автономного управления переводят источник 30 питания в рабочий режим подачи питающих напряжений на активируемые устройства блока ФКСМП.After that, on command from the
6. Затем по командам из блока 29 автономного управления подводного объекта, поступающим в mp3-плеер 28 блока ФКСМП, связанный с усилителем 27 мощности, подключенным к слабонаправленной передающей гидроакустической антенне 19, излучают в водную среду пространства верхней полусферы, относительно морского дна, ансамбль сформированных на этапе 2 комбинированных сигналов z(t) маяка-пингера со случайным чередованием излучаемых сигналов ансамбля и случайно изменяющимся интервалом ТМ их повторения, превышающих фоновые шумы акватории поиска, при этом на время излучения каждого сигнала ансамбля выход гидрофона слабонаправленной приемной гидроакустической антенны 17 отключают с помощью коммутатора 18 сигналов приемной антенны от входа полосового 20 усилителя сигналов.6. Then, according to commands from the
7. Принимают гидрофонами 1 ПГА поискового судна комбинированные сигналы z(t) маяка-пингера, излученные с автономного донного подводного объекта на этапе 6, осуществляют опознавание сигналов ансамбля путем обработки в блоке ОСМП, подключенном к выходу полосового 4 усилителя сигналов одного из гидрофонов ПГА. После первого достоверного приема посылки опознавания s(t2) одного из излучаемых сигналов ансамбля прекращают излучение сигналов активации a(t) с поискового судна.7. The combined signals z (t) of the pinger beacon emitted from the autonomous bottom underwater object at
Принцип приема посылок опознавания ансамбля сигналов z(t) маяка-пингера на поисковом судне и функциональный состав необходимого для этого оборудования аналогичны алгоритмическим и аппаратным атрибутам, используемым в процессе обработки ансамбля сигналов активации a(t) на автономном донном подводном объекте этапа 5. Для этого под управлением блока 8 централизованного управления:The principle of receiving the parcels for identifying the ensemble of signals z (t) of the pinger beacon on the search vessel and the functional composition of the equipment required for this are similar to the algorithmic and hardware attributes used in the processing of the ensemble of activation signals a (t) on the autonomous bottom underwater object of
- фиксируют с помощью порогового устройства 9 появление стартовой посылки y(t) сигнала z(t) и запускают счетчик импульсов 13;- using the threshold device 9, the appearance of the starting message y (t) of the signal z (t) is recorded and the
- осуществляют линейными детекторами 10 и 11, имеющими существенно разные постоянные времени цепей интегрирования, формирование порогового уровня обнаружения принимаемых сигналов и выделение огибающих импульсов сигнала z(t) на посылке опознавания для последующего получения последовательности импульсов с уровнями цифровой логики при помощи компаратора 12;- carried out by
- принимают решение о приеме сигнала z(t) при совпадении количества импульсов, подсчитанных счетчиком 13 на известной длительности посылки опознавания, с количеством импульсов на посылке опознавания одного из разрешенных для приема сигналов ансамбля.- make a decision on the reception of the signal z (t) when the number of pulses counted by the
8. Осуществляют процедуру определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна, в которой вычисляют и запоминают пеленг ϕ и угол места θ подводного объекта в согласованной с направлением движения поискового судна системе координат судовой пеленгационной антенны. Указанная процедура согласована с геометрическими параметрами пеленгационной антенны, позволяет осуществлять позиционирование автономного донного подводного объекта относительно поискового судна с необходимой точностью в условиях малых отношений сигнал/шум замаскированного навигационного сигнала и включает в себя следующие действия и операции.8. A procedure for determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel is carried out, in which the bearing ϕ and the elevation angle θ of the underwater object are calculated and stored in the coordinate system of the ship direction finding antenna coordinated with the direction of movement of the search vessel. This procedure is coordinated with the geometric parameters of the direction finding antenna, allows positioning of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel with the required accuracy under conditions of low signal-to-noise ratios of the masked navigation signal and includes the following actions and operations.
Формируют в блоке 7 вспомогательных гармонических сигналов, на базе высокостабильного опорного генератора, квадратурные составляющие Y1(t), Y2(t) гармонического сигнала Y(t) частоты ƒ0, характеризующиеся большими отношениями сигнал/шум.In
После достоверного приема посылки опознавания s(t2) одного из сигналов z(t) ансамбля маяка-пингера автономного донного подводного объекта, сигналы u1(t), u2(t), u3(t), u4(t), Y1(t), Y2(t) посредством аналого-цифровых 5 преобразователей, с соответствующим управлением из блока 8 централизованного управления, подвергают на интервале времени t3∈[τ9…τ10] гармонической навигационной посылки x(t3) синхронной дискретизации с кратным четырем количеством отсчетов k на периоде колебаний и общим числом отсчетов L в выборке.After reliable reception of the identification message s (t 2 ) of one of the signals z (t) of the pinger beacon ensemble of the autonomous bottom underwater object, the signals u 1 (t), u 2 (t), u 3 (t), u 4 (t) , Y 1 (t), Y 2 (t) by means of analog-to-digital 5 converters, with appropriate control from the
В память вычислителя 6 заносят шесть массивов u1(n), u2(n), u3(n), u4(n), Y1(n), Y2(n) выборок сигналов:Six arrays u1 (n), u2 (n), u3 (n), u4 (n), Y1 (n), Y2 (n) signal samples are entered into the memory of calculator 6:
где n - порядковый номер отсчета в выборке, а параметры k и L связаны соотношениями: L=100k, k>3⋅103.where n is the ordinal number of the sample in the sample, and the parameters k and L are related by the relations: L = 100k, k> 3⋅10 3 .
Далее в вычислителе 6, под управлением блока 8 централизованного управления, выполняют следующие программные операции.Further, in the
Вычисляют и запоминают весовые коэффициенты W1 и W2, определяющие проекции сигнала u1(t) на квадратурные составляющие сигнала Y(t):The weights W1 and W2 are calculated and stored, which determine the projections of the signal u 1 (t) onto the quadrature components of the signal Y (t):
Вычисляют и запоминают весовые коэффициенты W3 и W4, определяющие проекции сигнала u2(t) на квадратурные составляющие сигнала Y(t):The weight coefficients W3 and W4 are calculated and stored, which determine the projections of the signal u 2 (t) onto the quadrature components of the signal Y (t):
Вычисляют и запоминают весовые коэффициенты W5 и W6, определяющие проекции сигнала u3(t) на квадратурные составляющие сигнала Y(t):The weight coefficients W5 and W6 are calculated and stored, which determine the projection of the signal u 3 (t) onto the quadrature components of the signal Y (t):
Вычисляют и запоминают весовые коэффициенты W7 и W8, определяющие проекции сигнала u4(t) на квадратурные составляющие сигнала Y(t):The weight coefficients W7 and W8 are calculated and stored, which determine the projection of the signal u 4 (t) onto the quadrature components of the signal Y (t):
Выполнение операций (14) - (17) позволяет находить проекции сигналов u1(t), u2(t), u3(t), u4(t) (на интервале времени гармонической навигационной посылки) с малыми отношениями сигнал/маскирующий шум на квадратурные составляющие Y1(t) и Y2(t) гармонического сигнала Y(t), имеющие большие отношения сигнал/шум.Performing operations (14) - (17) makes it possible to find the projections of signals u 1 (t), u 2 (t), u 3 (t), u 4 (t) (on the time interval of a harmonic navigation message) with small signal / masking ratios noise on the quadrature components Y1 (t) and Y2 (t) of the harmonic signal Y (t), having a large signal-to-noise ratio.
Указанные проекции необходимы для получения четырех гармонических сигналов с большими отношениями сигнал/шум, синфазных с сигналами u1(t), u2(t), u3(t), u4(t), имеющими малые отношения сигнал/шум, которые используются в дальнейших вычислениях для значительного повышения точности измерений разностей фаз колебаний посылки навигационного сигнала x(t3) на выходах трех пар гидрофонов пеленгационной антенны поискового судна и обеспечения необходимой точности определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна в условиях малых отношений сигнал/шум на интервале замаскированной навигационной посылки комбинированного сигнала маяка-пингера.These projections are necessary to obtain four harmonic signals with high signal-to-noise ratios, in phase with signals u 1 (t), u 2 (t), u 3 (t), u 4 (t), having low signal-to-noise ratios, which are used in further calculations to significantly increase the accuracy of measuring the phase differences of the oscillations of the navigation signal x (t 3 ) at the outputs of three pairs of hydrophones of the direction finding antenna of a search vessel and to ensure the required accuracy in determining the angular coordinates of an autonomous bottom underwater object relative to the search vessel in conditions of low signal-to-noise ratios on the interval of the masked navigation burst of the combined beacon-pinger signal.
Достаточная для получения малой погрешности измерений разностей фаз точность синфазирования достигается за счет корреляционной обработки сигналов низкой частоты навигационной посылки на фоне более высокочастотных квазибелых шумов, что позволяет реализовать эффективное когерентное накопление, хорошо известное в теории помехоустойчивой обработки сигналов [4].The synchronization accuracy sufficient to obtain a small error in measuring the phase differences is achieved due to the correlation processing of signals of a low frequency of the navigation message against the background of higher-frequency quasi-white noises, which makes it possible to implement effective coherent accumulation, well known in the theory of noise-immune signal processing [4].
Формируют и запоминают четыре массива R1(n), R2(n), R3(n), R4(n) выборок отсчетов, принадлежащих сигналам блока 7 вспомогательных гармонических сигналов, синфазным с сигналами u1(t), u2(t), u3(t), u4(t) соответственно, и имеющим в результате операций синфазирования большие отношения сигнал/шум:Form and store four arrays R1 (n), R2 (n), R3 (n), R4 (n) of samples of samples belonging to the signals of the
Осуществляют нормирование отсчетов массивов R1(n), R2(n), R3(n), R4(n) выборок сигналов путем их представления своими знаками по правилу:The samples of the R1 (n), R2 (n), R3 (n), R4 (n) signal samples are normalized by representing them with their own signs according to the rule:
Вычисляют и запоминают вспомогательные корреляционные параметры β1, γ1, β2, γ2, β3, γ3:The auxiliary correlation parameters β 1 , γ 1 , β 2 , γ 2 , β 3 , γ 3 are calculated and stored:
Рассчитывают и запоминают разности фаз гармонических колебаний Δφ12, Δφ13, Δφ14 посылки навигационного сигнала x(t3) на выходах трех пар гидрофонов (Г1-Г2, Г1-Г3, Г1-Г4) пеленгационной антенны (фиг. 10) поискового судна:Calculate and store the phase differences of harmonic oscillations Δφ 12 , Δφ 13 , Δφ 14 of the navigation signal x (t 3 ) at the outputs of three pairs of hydrophones (G 1 -G 2 , G 1 -G 3 , G 1 -G 4 ) of the direction finding antenna ( Fig. 10) of the search vessel:
Уточняют и запоминают значения разностей фаз Δψ12, Δψ13, Δψ14 колебаний гармонического сигнала навигационной посылки комбинированного сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта на выходах трех пар гидрофонов пеленгационной антенны поискового судна с учетом калибровочных поправок ΔΨ12, ΔΨ13, ΔΨ14, вычисленных в процедуре калибровки усилительных трактов пеленгационной антенны:Specifying and storing values phase differences Δψ 12, Δψ 13, Δψ 14 combined signal harmonic navigation sending signal oscillations beacon-pinger autonomous bottom underwater object at the outputs of the three pairs of hydrophones DF antenna exploratory vessel with the calibration corrections ΔΨ 12, ΔΨ 13, ΔΨ 14 calculated in the calibration procedure of the DF antenna gain paths:
Вычисляют и запоминают пеленг ϕ (относительно курса поискового судна) и угол места θ (относительно уровня водной поверхности при вертикальной стабилизации пеленгационной антенны поискового судна) автономного донного подводного объекта по следующим тригонометрическим формулам:The bearing ϕ (relative to the course of the search vessel) and the elevation angle θ (relative to the water surface level with vertical stabilization of the direction finding antenna of the search vessel) of the autonomous bottom underwater object are calculated and memorized according to the following trigonometric formulas:
Формулы (23) и (24) являются частным случаем общего алгоритма позиционирования подводных объектов, разработанного авторами заявки и представленного в публикации [2].Formulas (23) and (24) are a special case of the general algorithm for positioning underwater objects, developed by the authors of the application and presented in publication [2].
9. По команде из блока 8 централизованного управления поискового судна измеряют судовым эхолотом с модернизированной структурой зондирующих импульсов глубину h водной акватории поиска, которую запоминают в памяти вычислителя 6. Интервалы времени между измерениями глубины зависят от профиля морского дна акватории поиска, а излучение зондирующих импульсов начинают только после приема очередного сигнала z(t) из ансамбля комбинированных сигналов маяка-пингера автономного донного подводного объекта.9. At the command from the
10. Оценивают и запоминают в вычислителе 6 поискового судна по рассчитанному углу места θ автономного донного подводного объекта и измеренной глубине h акватории поиска приближенные значения дальности d и наклонного расстояния rн до автономного донного подводного объекта (фиг. 12), используя тригонометрические соотношения:10. Estimated and stored in the
11. Корректируют на основании параметров местоположения ϕ, θ, d, rн автономного донного подводного объекта относительно поискового судна, обновляемых с периодичностью сигналов маяка-пингера и интервалами измерения глубины акватории поиска, курс движения поискового судна до безопасной дальности всплытия автономного донного подводного объекта - дальности, исключающей возможное столкновение при всплытии подводного объекта и поискового судна, которую оценивают с использованием измеряемых на поисковом судне глубины акватории и скорости течения, а также прогнозируемой траектории всплытия подводного объекта.11. Based on the location parameters ϕ, θ, d, r n of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel, updated with the frequency of the pinger beacon signals and the intervals for measuring the depth of the search water area, the course of the search vessel to the safe ascent range of the autonomous bottom underwater object - range, excluding a possible collision during the ascent of the underwater object and the search vessel, which is estimated using the water area depth and current speed measured on the search vessel, as well as the predicted ascent trajectory of the underwater object.
12. После приема и обработки на поисковом судне очередного сигнала z(t) из ансамбля комбинированных сигналов маяка-пингера автономного донного подводного объекта, по команде из блока 8 централизованного управления, поступающей в mp3-плеер 16 блока ФИС, связанный с усилителем 15 мощности, подключенным к слабонаправленной передающей гидроакустической антенне 14, излучают в водную среду пространства нижней полусферы, относительно поискового судна, сигнал всплытия e(t) автономного донного подводного объекта, превышающий по уровню фоновые шумы акватории поиска, при этом на время излучения сигнала выходы гидрофонов 1 ПГА отключают с помощью коммутаторов 2 сигналов пеленгационной антенны от входов полосовых 4 усилителей сигналов.12. After receiving and processing on the search vessel the next signal z (t) from the ensemble of combined signals of the beacon-pinger of the autonomous bottom underwater object, at the command from the
13. Прием и обработку сигнала всплытия на автономном донном подводном объекте осуществляют посредством слабонаправленной приемной гидроакустической антенны 17 и устройств блока ОСАВ под управлением блока 29 автономного управления. Для этого:13. Reception and processing of the surfacing signal on the autonomous bottom underwater object is carried out by means of a weakly directional receiving
- полосовым усилителем 20 доводят уровень принимаемого антенной 17 сигнала до величины, необходимой для функционирования остальных устройств блока ОСАВ;- the band-
- с помощью порогового устройства 21 фиксируют появление стартовой посылки g(t1) сигнала всплытия и запускают счетчики импульсов 25 и 26;- using the
- линейными детекторами 22 и 23, имеющими существенно разные постоянные времени цепей интегрирования, осуществляют формирование порогового уровня обнаружения принимаемого сигнала и выделение огибающих импульсов сигнала всплытия на посылке опознавания j(t2) для последующего получения последовательности импульсов с уровнями цифровой логики при помощи компаратора 24;-
- при совпадении количества импульсов, подсчитанных счетчиком 26 на известной длительности посылки опознавания, с числом импульсов на посылке опознавания, находящимся в памяти блока 29 автономного управления (см. этап 2), принимают решение о приеме сигнала всплытия.- when the number of pulses counted by the
После этого по команде из блока 29 автономного управления запускают соответствующие исполнительные механизмы системы изменения плавучести и прекращают излучение сигнала z(t) маяка-пингера автономного донного подводного объекта.After that, on command from the
14. Если после первого излучения поисковым судном сигнала всплытия e(t) прием сигналов z(t) маяка-пингера автономного донного подводного объекта на поисковом судне не прекращается, то осуществляют повторное излучение сигнала всплытия (см. этап 12).14. If, after the first emission by the search vessel of the ascent signal e (t), the reception of the signals z (t) of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object on the search vessel does not stop, then the ascent signal is re-emitted (see step 12).
При технической реализации заявляемого способа может быть использована современная элементная база и цифровые технологии обработки сигналов. Примеры возможной технической реализации функциональных элементов оборудования поискового судна и автономного подводного объекта с использованием промышленно выпускаемых изделий представлены в табл. 1 и табл. 2.In the technical implementation of the proposed method, modern element base and digital signal processing technologies can be used. Examples of possible technical implementation of functional elements of equipment for a search vessel and an autonomous underwater object using commercially available products are presented in Table. 1 and tab. 2.
Следует отметить, что синтезирование необходимых для скрытного гидроакустического поиска сигналов поискового судна и автономного подводного объекта в виде соответствующих файлов mp3-плееров 16, 28, из имеющихся в наличии фрагментов сонограмм записей звуков фоновых шумов морской среды, может быть выполнено с использованием стандартных программных приложений AVS Audio Editor, Audio Master и Ocen Audio для операционной системы Windows.It should be noted that the synthesis of the signals of a search vessel and an autonomous underwater object necessary for a covert hydroacoustic search in the form of corresponding files of mp3-
Рассчитаем, на основе систематизированных для гидроакустического канала инженерных соотношений [17], мощность передатчика подводной линии передачи гидроакустических сигналов, необходимую для оценки возможности технической реализации передающих гидроакустических антенн 14, 19 поискового судна и автономного подводного объекта.Let us calculate, on the basis of engineering relationships systematized for the hydroacoustic channel [17], the transmitter power of the underwater hydroacoustic signal transmission line required to assess the feasibility of technical implementation of transmitting
Мощность сигнала Рп на входе приемника при этом определяется зависимостями:Signal power P p at the input of the receiver is determined by the dependence
где Ри - мощность передатчика;Gп,Gи - коэффициенты направленного действия приемной и передающей антенн соответственно; ηп,ηи - коэффициенты полезного действия приемной и передающей антенн соответственно; с - скорость звука в морской воде; Sп - эффективная площадь приемной антенны; R - длина подводной линии передачи гидроакустических сигналов (наклонное расстояние между приемной и передающей антеннами); ƒ - частота излучаемого сигнала; γ - коэффициент, учитывающий потери мощности сигнала в морской среде за счет поглощения.where P and - the power of the transmitter; G p , G and - the directivity of the receiving and transmitting antennas, respectively; η p , η and are the efficiency of the receiving and transmitting antennas, respectively; c is the speed of sound in seawater; S p - effective area of the receiving antenna; R is the length of the underwater transmission line for hydroacoustic signals (slant distance between the receiving and transmitting antennas); ƒ is the frequency of the emitted signal; γ is a coefficient that takes into account the loss of signal power in the marine environment due to absorption.
Мощность сигнала на входе приемника, с учетом необходимого для достоверного приема отношения h2 сигнал/шум, может быть определена по формулам:The signal power at the receiver input, taking into account the signal-to-noise ratio h 2 required for reliable reception, can be determined by the formulas:
где h2 - требуемое отношение сигнал/шум на приеме; Δƒ - полоса частот приемного тракта; А(b) - коэффициент, величина которого зависит от состояния b поверхности моря в баллах; В - коэффициент, определяемый температурой морской воды.where h 2 is the required signal-to-noise ratio at reception; Δƒ is the frequency band of the receiving path; А (b) - coefficient, the value of which depends on the state b of the sea surface in points; B - coefficient determined by the temperature of sea water.
Следует иметь в виду, что спектральная плотность Nм шумов морской средыIt should be borne in mind that the spectral density N m of the noise of the marine environment
имеет размерность , а шумы водной среды для частот от 8 кГц и выше обусловлены преимущественно шумами водной поверхности, зависящими от волнения моря.has the dimension , and the noise of the aquatic environment for frequencies from 8 kHz and above is mainly caused by the noise of the water surface, which depends on the sea state.
Из соотношений (26) и (27), с учетом зависимости (28), получаем выражение для расчета необходимой мощности передатчика гидроакустических сигналов:From relations (26) and (27), taking into account dependence (28), we obtain an expression for calculating the required power of the transmitter of hydroacoustic signals:
где размерности величин: ƒ, Δƒ - в кГц; R - в км; h2 - в дБ; Ри - в Вт.where the dimensions of the quantities: ƒ, Δƒ - in kHz; R - in km; h 2 - in dB; P and - in W.
Допустимая удельная акустическая мощность Ра, большинства используемых для изготовления гидрофонов пъезоматериалов лежит в диапазоне Ра ≈ 10-1…102 Вт/см2. Для пъезоматериалов на основе титаната бария Ра≤2 Вт/см2, а для ЦТС (цирконат-титанат свинца) материалов Ра≤15 Вт/см2 [18].The permissible specific acoustic power R a of most piezomaterials used for the manufacture of hydrophones lies in the range of R a ≈ 10 -1 ... 10 2 W / cm 2 . For piezomaterials based on barium titanate Р а ≤2 W / cm 2 , and for PZT (lead zirconate titanate) materials Р а ≤15 W / cm 2 [18].
Например, для варианта возможного технологического исполнения сферического гидрофона при радиусе сферы rг=4 см активного элемента из ЦТС (Ра=10 Вт/см2) материалов допустимая акустическая мощность гидрофона в полусфере излучения может быть на уровне 1000 Вт (2⋅π⋅rг 2⋅Ра=2⋅3.14⋅16⋅10=1000.5).For example, for a variant of a possible technological execution of a spherical hydrophone with a sphere radius r g = 4 cm of an active element made of PZT (P a = 10 W / cm 2 ) materials, the permissible acoustic power of a hydrophone in a radiation hemisphere can be at the level of 1000 W (2⋅π⋅ r g 2 ⋅P a = 2⋅3.14⋅16⋅10 = 1000.5).
Однако, принимая во внимание наличие эффекта кавитации, ограничивающего акустическую мощность излучающего гидрофона, можно допустить, при пороге кавитации [19] для самой низкой частоты спектра излучаемых сигналов, равной 100 Гц, акустическую мощность указанного излучающего гидрофона только около 30 Вт.However, taking into account the presence of the cavitation effect, which limits the acoustic power of the emitting hydrophone, it can be assumed that at the cavitation threshold [19] for the lowest frequency of the spectrum of emitted signals equal to 100 Hz, the acoustic power of the said emitting hydrophone is only about 30 W.
С учетом среднестатистической эффективности пъезокерамических преобразователей, потерь при согласовании и герметизации, коэффициент полезного действия излучателя можно принять на уровне 0.6, тогда верхний предел мощности передатчика для указанного гидрофона будет составлять 50 Вт.Taking into account the average efficiency of piezoceramic transducers, losses during matching and sealing, the efficiency of the emitter can be taken at the level of 0.6, then the upper limit of the transmitter power for the indicated hydrophone will be 50 W.
Для выбранной мощности Ри передатчика гидроакустических сигналов, используя формулу (29), рассчитаем длину R подводной линии передачи гидроакустических сигналов при заданных: отношении сигнал/шум h2 на приеме, частоте ƒ излучаемого сигнала, полосе частот Δƒ приемного тракта, коэффициенте направленного действия Gи передающей антенны, ее коэффициенте полезного действия ηи и состоянии b поверхности моря.For the selected power P and the transmitter of hydroacoustic signals, using formula (29), we calculate the length R of the underwater transmission line of hydroacoustic signals for the given: signal-to-noise ratio h 2 at the reception, frequency ƒ of the emitted signal, frequency band Δƒ of the receiving path, directional action factor G and the transmitting antenna, its efficiency η and and the state b of the sea surface.
Расчеты по формуле (29), которую можно считать зависимостью первого приближения, длины R подводной линии передачи гидроакустических сигналов с приемником на поисковом судне при значениях: Ри=50 Вт, ƒ=8 кГц, Δƒ=19 кГц, h2=20 дБ, Gи=1, ηи=0.6 в зависимости от состояния b поверхности моря (по официальной шкале Всемирной Морской Организации) представлены в таблице 3.Calculations according to formula (29), which can be considered a dependence of the first approximation, the length R of the underwater transmission line of hydroacoustic signals with a receiver on a search vessel at the values: P and = 50 W, ƒ = 8 kHz, Δƒ = 19 kHz, h 2 = 20 dB , G and = 1, η and = 0.6 depending on the state b of the sea surface (according to the official scale of the World Maritime Organization) are presented in Table 3.
Полученные в таблице 3 значения наклонных расстояний можно использовать в качестве прогнозируемых максимально возможных наклонных расстояний rн max от поискового судна до автономного донного подводного объекта при их акустическом контакте в акватории с ожидаемым состоянием морской поверхности для расчетов минимально допустимых интервалов повторения гидроакустических сигналов активации TA поискового судна и маяка-пингера ТМ автономного донного подводного объекта на основе соотношений (6).The values of the slope distances obtained in Table 3 can be used as the predicted maximum possible slope distances r n max from the search vessel to the autonomous bottom underwater object during their acoustic contact in the water area with the expected state of the sea surface for calculating the minimum permissible intervals of repetition of hydroacoustic activation signals T A vessel and beacon-pinger TM bottom autonomous underwater object on the basis of relations (6).
При известной технически реализуемой мощности гидроакустических излучателей можно также оценить и необходимую чувствительность гидроакустических приемников автономного подводного объекта и поискового судна. Оценку выполним на основе материалов классической монографии [19].With a known technically realizable power of hydroacoustic emitters, it is also possible to estimate the necessary sensitivity of hydroacoustic receivers of an autonomous underwater object and a search vessel. We will perform the estimate based on the materials of the classical monograph [19].
Для ненаправленного излучателя, расположенного в однородной водной среде, интенсивность звуковой волны можно записать в следующем видеFor an omnidirectional emitter located in a homogeneous aqueous medium, the intensity of the sound wave can be written in the following form
где П - среднеквадратичное давление, выраженное в Па; ρ - плотность воды, равная 103 кг/м3; с - скорость звука в воде, которую примем 1500 м/с.where P is the root-mean-square pressure, expressed in Pa; ρ is the density of water equal to 10 3 kg / m 3 ; s is the speed of sound in water, which we take 1500 m / s.
Связь между указанной интенсивностью и мощностью передатчика имеет видThe relationship between the indicated intensity and the transmitter power is
где Ри - мощность передатчика; ηи - коэффициент полезного действия передающей антенны; R - длина подводной линии передачи гидроакустических сигналов.where P and - transmitter power; η and is the efficiency of the transmitting antenna; R is the length of the underwater hydroacoustic signal transmission line.
Из соотношения (31) находим среднеквадратичное давление П:From relation (31) we find the rms pressure P:
где размерности величин: Ри - в Вт; R - в км; ρ - в кг/м3; с - в км/с.where the dimensions of the quantities: P and - in W; R - in km; ρ - in kg / m 3 ; s - in km / s.
Чувствительность приемных гидрофонов обычно выражается в мкВ/Па, тогда напряжение на выходе приемного гидрофона с чувствительностью μ будет равноThe sensitivity of receiving hydrophones is usually expressed in μV / Pa, then the voltage at the output of the receiving hydrophone with sensitivity μ will be
В табл. 4 приведены результаты расчетов выходного напряжения гидрофона (см. табл. 1 и табл. 2) компании Брюль и Къер модели 8105 (μ=56 мкВ/Па) при мощности передатчика 50 Вт и коэффициенте полезного действия передающей антенны ηи=0.6 для различных значений наклонного расстояния R между приемником и передатчиком.Table 4 shows the results of calculations of the output voltage of the hydrophone (see Table 1 and Table 2) of the Brüel & Kjr company model 8105 (μ = 56 μV / Pa) with a transmitter power of 50 W and a transmitting antenna efficiency η and = 0.6 for various values the slope distance R between the receiver and the transmitter.
Полученные уровни сигналов на выходах приемных гидрофонов выбранной модели автономного подводного объекта и поискового судна позволяют при коэффициентах передачи полосовых 4, 20 усилителей (см. табл. 1 и табл. 2) приемных трактов порядка 2⋅104 обеспечивать типовые режимы функционирования электронных компонентов остального оборудования для указанных границ изменения наклонного расстояния в процессе поисковых действий.The obtained signal levels at the outputs of the receiving hydrophones of the selected model of an autonomous underwater object and a search vessel allow, with the transmission coefficients of
Оценим точности позиционирования автономного донного подводного объекта относительно поискового судна при гидроакустическом поиске в зависимости от соотношения уровней гармонического сигнала навигационной посылки маяка-пингера и маскирующего ее квазибелого шума (отношения сигнал/шум) путем моделирования в математической среде Mathcad 15.Let us estimate the positioning accuracy of an autonomous bottom underwater object relative to a search vessel during hydroacoustic search depending on the ratio of the harmonic signal levels of the navigation message of the pinger beacon and the quasi-white noise masking it (signal-to-noise ratio) by modeling in the
Исходные данные для моделирования задаем, исходя из приемлемых условий судового конструктивного размещения пеленгационной антенны, наиболее вероятных сценариев относительного позиционирования поискового судна и подводного объекта, а также необходимой точности определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна в процессе его гидроакустического поиска:The initial data for modeling are set based on the acceptable conditions of the ship's structural placement of the direction finding antenna, the most probable scenarios for the relative positioning of the search vessel and the underwater object, as well as the required accuracy of determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel during its hydroacoustic search:
- частота ƒ0 гармонических колебаний в посылке x(t3) навигационного сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта составляет 3 кГц;- the frequency ƒ 0 of harmonic oscillations in the message x (t 3 ) of the navigation signal of the pinger beacon of the autonomous bottom underwater object is 3 kHz;
- диапазон частот квазибелого шума, маскирующего посылку x(t3) навигационного сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта, имеет нижнюю Fшн и верхнюю Fшв границы - Fшн=15 кГц, Fшв=20 кГц, полоса частот шума ΔFш=5кГц;- the frequency range of quasi-white noise, masking the message x (t 3 ) of the navigation signal of the pinger beacon of an autonomous bottom underwater object, has a lower F shn and upper F shv boundaries - F shn = 15 kHz, F br = 20 kHz, the noise frequency band ΔF sh = 5kHz;
- границы полосы пропускания приемных трактов (полосовых 4 усилителей поискового судна) по уровню половинной мощности от 1 кГц до 20 кГц;- the boundaries of the passband of the receiving paths (
- Г1(0.1,0,0), Г2(-0.1,0,0), Г3(0,0.1,-0.1), Г4(0,-0.1,-0.1) - декартовы координаты гидрофонов судовой пеленгационной антенны выбранного размера (А=0.2 м, В=0.1 м), выраженные в метрах;- Г 1 (0.1,0,0), Г 2 (-0.1,0,0), Г 3 (0,0.1, -0.1), Г 4 (0, -0.1, -0.1) - Cartesian coordinates of the ship's direction finding hydrophones antennas of the selected size (A = 0.2 m, B = 0.1 m), expressed in meters;
- диапазон изменения пеленгов автономного донного подводного объекта в процессе поиска ϕ=0°…360°;- range of change of bearings of an autonomous bottom underwater object in the search process ϕ = 0 °… 360 °;
- диапазон изменения углов места автономного донного подводного объекта в процессе поиска θ=10°…70°;- the range of variation of the elevation angles of the autonomous bottom underwater object in the search process θ = 10 °… 70 °;
- диапазон изменения наклонных расстояний от поискового судна до автономного донного подводного объекта rн=50 м … 3000 м;- the range of variation of the slope distances from the search vessel to the autonomous bottom underwater object r n = 50 m ... 3000 m;
- морская акватория при акустическом контакте между поисковым судном и автономным донным подводным объектом условно разделена на ближнюю rн<100 м, θ=70° и дальнюю rн>500 м, θ=10° зоны поиска;- the sea water area with acoustic contact between the search vessel and the autonomous bottom underwater object is conditionally divided into the near r n <100 m, θ = 70 ° and the far r n > 500 m, θ = 10 ° of the search zone;
- маскирующий навигационную посылку m(t3) сигнала маяка-пингера квазибелый шум имеет нормальное вероятностное распределение, нулевое среднее значение и заданную дисперсию;- the quasi-white noise masking the navigation message m (t 3 ) of the pinger beacon signal has a normal probability distribution, a zero mean value and a specified variance;
- оценка максимальной погрешности вычисления разностей фаз Δφ12, Δφ13, Δφ14 колебаний посылки x(t3) навигационного сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта на выходах трех пар гидрофонов судовой пеленгационной антенны осуществляется методом статистических испытаний с использованием 25 независимых реализаций формируемого квазибелого шума;- estimation of the maximum error in calculating the phase differences Δφ 12 , Δφ 13 , Δφ 14 oscillations of the parcel x (t 3 ) of the navigation signal of the beacon-pinger of an autonomous bottom underwater object at the outputs of three pairs of hydrophones of the ship's direction finding antenna is carried out by the method of statistical tests using 25 independent realizations of the generated quasi-white noise;
- количество отсчетов k на периоде гармонических колебаний навигационной посылки и общее число отсчетов L в выборке при осуществлении процедуры определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна выбраны соответственно k=3.6⋅103, L=3.6⋅105;- the number of counts k on the period of harmonic oscillations of the navigation message and the total number of counts L in the sample when the procedure for determining the angular coordinates of the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel is selected, respectively, k = 3.6⋅10 3 , L = 3.6⋅10 5 ;
- относительное расхождение частот колебаний, сформированных на базе судового высокостабильного опорного генератора, и колебаний посылки принимаемого навигационного сигнала маяка-пингера выбрано равным 2⋅10-3, что соответствует варианту гидроакустического поиска с возможной радиальной скоростью движения поискового судна относительно позиционируемого автономного донного подводного объекта 3 м/с (5.84 узла).- the relative discrepancy between the oscillation frequencies formed on the basis of the ship's highly stable reference generator and the oscillations of the parcel of the received navigation signal of the pinger beacon was chosen equal to 2⋅10 -3 , which corresponds to the variant of hydroacoustic search with a possible radial speed of the search vessel relative to the positioned autonomous bottom underwater object 3 m / s (5.84 knots).
Результаты расчетов граничных точностей позиционирования (фиг. 13 и фиг. 14) показывают, например, что для возможных в процессе гидроакустического поиска отношений сигнал/маскирующий шум на уровне минус 30 дБ, используя заявляемый способ можно осуществлять определение угловых координат ϕ и θ автономного донного подводного объекта относительно поискового судна в ближней зоне поиска с точностью не хуже 1° по пеленгу и 0.4° по углу места, а в дальней зоне поиска с большей точностью - не хуже 0.3° по пеленгу и 0.2° по углу места.The results of calculations of the boundary positioning accuracy (Fig. 13 and Fig. 14) show, for example, that for possible signal / masking noise ratios in the process of hydroacoustic search at a level of minus 30 dB, using the proposed method, it is possible to determine the angular coordinates ϕ and θ of an autonomous bottom underwater an object relative to the search vessel in the near search zone with an accuracy of no worse than 1 ° in bearing and 0.4 ° in elevation, and in the far search zone with greater accuracy - no worse than 0.3 ° in bearing and 0.2 ° in elevation.
Указанных граничных точностей вполне достаточно, чтобы обеспечивать эффективный процесс скрытного гидроакустического позиционирования автономного донного подводного объекта в ходе его поиска от момента активации до всплытия, подразумевая при этом постоянную коррекцию курса поискового судна по функционально независимым оценкам параметров местоположения автономного донного подводного объекта с использованием соответствующих сигналов его маяка-пингера.The specified boundary accuracies are quite enough to ensure an effective process of covert hydroacoustic positioning of an autonomous underwater bottom object during its search from the moment of activation to ascent, implying constant correction of the search vessel's course based on functionally independent estimates of the location parameters of the autonomous bottom underwater object using the corresponding signals from it. pinger beacon.
Необходимо отметить, что представленные граничные точности расчетов характеризуют максимальные из максимально возможных (maximum maximorum) погрешностей позиционирования, которые могут иметь место при таких сочетаниях значений пеленга ϕ, угла места θ автономного донного подводного объекта, максимальных погрешностей определения разностей фаз Δφ12, Δφ13, Δφ14 колебаний посылки x(t3) навигационного сигнала маяка-пингера автономного донного подводного объекта на выходах трех пар гидрофонов судовой пеленгационной антенны, а также знаков указанных погрешностей, которые приводят к наибольшим абсолютным погрешностям в операциях (23), (24) вычисления угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна для самых наихудших условий поиска.It should be noted that the presented boundary calculation accuracy characterizes the maximum of the maximum possible (maximum maximorum) positioning errors that can occur with such combinations of bearing values ϕ, elevation angle θ of an autonomous bottom underwater object, maximum errors in determining phase differences Δφ 12 , Δφ 13 , Δφ 14 oscillations of the message x (t 3 ) of the navigation signal of the pinger beacon of an autonomous bottom underwater object at the outputs of three pairs of hydrophones of the ship's direction finding antenna, as well as signs of the indicated errors, which lead to the largest absolute errors in operations (23), (24) for calculating the angular coordinates of an autonomous bottom underwater object relative to a search vessel for the worst search conditions.
Если учесть, что вероятность возникновения указанных выше неблагоприятных сочетаний величин пеленга, угла места, погрешностей определения разностей фаз и знаков этих погрешностей (функциональных параметров позиционирования) в полном временном цикле осуществления реального поиска будет мала, то следует рассчитывать на преобладание в процессе поиска больших точностей позиционирования по сравнению с представленными граничными.If we take into account that the probability of occurrence of the above unfavorable combinations of bearing values, elevation angle, errors in determining the phase differences and signs of these errors (functional positioning parameters) in the full time cycle of real search will be small, then one should count on the prevalence of high positioning accuracy in the search process in comparison with the presented boundary.
Тенденция увеличения точности позиционирования по мере удаления от подводного объекта положительно характеризует разработанный авторами заявки алгоритм позиционирования [2], поскольку процесс осуществления поиска начинается, как правило, с больших удалений поискового судна от автономного донного подводного объекта.The tendency to increase the positioning accuracy with distance from the underwater object positively characterizes the positioning algorithm developed by the authors of the application [2], since the search process begins, as a rule, from large distances of the search vessel from the autonomous bottom underwater object.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет достичь желаемого эффекта - повышения скрытности процесса гидроакустического поиска автономного донного подводного объекта с надводного поискового судна, за счет до сих пор не применявшегося сочетания: использования в процессе поисковых действий гидроакустических сигналов, маскируемых под возможные акустические фоновые шумы известной акватории поиска - звуки морских животных, рыб, ракообразных, шумы моря, выбора надлежащей структуры, амплитудных, временных и частотных параметров этих гидроакустических сигналов, выполнения процедуры определения угловых координат автономного донного подводного объекта относительно поискового судна, согласованной с геометрическими параметрами пеленгационной антенны поискового судна, которая совместно с процедурой калибровки усилительных трактов пеленгационной антенны поискового судна позволяет осуществлять позиционирование автономного донного подводного объекта относительно поискового судна с необходимой точностью в условиях малых отношений сигнал/шум замаскированного навигационного сигнала.Thus, the proposed technical solution allows to achieve the desired effect - increasing the secrecy of the process of hydroacoustic search for an autonomous underwater object from a surface search vessel, due to a previously unused combination: the use of hydroacoustic signals in the process of search actions, masked for possible acoustic background noise of a known water area search - sounds of sea animals, fish, crustaceans, sea noises, selection of the proper structure, amplitude, time and frequency parameters of these hydroacoustic signals, performing the procedure for determining the angular coordinates of an autonomous bottom underwater object relative to the search vessel, consistent with the geometric parameters of the direction finding antenna of the search vessel, which together with the procedure for calibrating the amplifying paths of the direction finding antenna of the search vessel, it makes it possible to position the autonomous bottom underwater object relative to the search vessel with the necessary the same accuracy in conditions of low signal-to-noise ratios of the masked navigation signal.
Такая совокупность признаков нового технического решения отличает предлагаемый способ от известных в настоящее время способов гидроакустического позиционирования подводных объектов.This set of features of a new technical solution distinguishes the proposed method from the currently known methods of hydroacoustic positioning of underwater objects.
Список использованных источниковList of sources used
1. Гидроакустическая навигационная система с ультракороткой базой [Электронный ресурс] // URL: http://edboe.ru (дата обращения: 11.11.2019).1. A hydroacoustic navigation system with an ultrashort base [Electronic resource] // URL: http://edboe.ru (date of access: 11.11.2019).
2. Арсентьев В.Г., Криволапов Г.И. Позиционирование объектов в гидроакустической навигационной системе с ультракороткой базой // Вестник СибГУТИ. Новосибирск, 2018, №4.2. Arsentiev V.G., Krivolapov G.I. Positioning of objects in a hydroacoustic navigation system with an ultrashort base // Bulletin of SibSUTI. Novosibirsk, 2018, No. 4.
3. Патент RU 2593651, МПК G01S 15/00. Гидроакустический способ определения местоположения автономного подводного аппарата // Комаров B.C., Клюев М.С., Шрейдер А.А. - заявлено 09.06.2015, опубликовано 10.08.2016.3. Patent RU 2593651,
4. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991.4. Tikhonov V.I., Kharisov V.N. Statistical analysis and synthesis of radio engineering devices and systems. M .: Radio and communication, 1991.
5. Сведения об изделии. Гидрофоны: типы 8101-8106 [Электронный ресурс] // URL: http://asm-tm.ru/wp-content/uploads/2014/08/8101-8106-Gidrofony-NEW-PD.pdf (дата обращения: 11.11.2019).5. Product information. Hydrophones: types 8101-8106 [Electronic resource] // URL: http://asm-tm.ru/wp-content/uploads/2014/08/8101-8106-Gidrofony-NEW-PD.pdf (access date: 11.11 .2019).
6. Герметичные реле с частотами коммутации до 1 ГГц [Электронный ресурс] // URL: http://www.fulcrum.ru/LineCard/Relays/PDF/RA.pdf (дата обращения: 11.11.2019).6. Sealed relays with switching frequencies up to 1 GHz [Electronic resource] // URL: http://www.fulcrum.ru/LineCard/Relays/PDF/RA.pdf (date of access: 11.11.2019).
7. Прецизионные малошумящие операционные усилители [Электронный ресурс] // URL: http://www.symmetron.ru/news/maxim-MAX44250.shtml (дата обращения: 11.11.2019).7. Precision low-noise operational amplifiers [Electronic resource] // URL: http://www.symmetron.ru/news/maxim-MAX44250.shtml (date of access: 11.11.2019).
8. Общее описание К1107ПВ2 [Электронный ресурс] // URL: http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/1107/pv2.html (дата обращения: 11.11.2019).8. General description of K1107PV2 [Electronic resource] // URL: http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/1107/pv2.html (date of access: 11.11.2019).
9. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega: руководство пользователя. М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2007.9. Evstifeev A.V. AVR microcontrollers of the Mega family: user's manual. M .: Publishing house "Dodeka - XXI", 2007.
10. Генератор-синтезатор частот НМ8134-3 [Электронный ресурс] // URL: https://www.eskomp.ru/UFiles/bukl/GENERATOR_HMF8.pdf (дата обращения: 11.11.2019).10. Generator-synthesizer of frequencies НМ8134-3 [Electronic resource] // URL: https://www.eskomp.ru/UFiles/bukl/GENERATOR_HMF8.pdf (date of access: 11.11.2019).
11. Аналоговые компараторы [Электронный ресурс] // URL: http://www.diagram.com.ua/list/sprav/sprav148.shtml (дата обращения: 11.11.2019).11. Analog comparators [Electronic resource] // URL: http://www.diagram.com.ua/list/sprav/sprav148.shtml (access date: 11.11.2019).
12. Амплитудные детекторы на ОУ [Электронный ресурс] // URL: http://nauchebe.net/2014/07/amplitudnye-detektory-na-ou-v-ustrojstvax-na-mikrosxemax (дата обращения: 11.11.2019).12. Amplitude detectors at the OS [Electronic resource] // URL: http://nauchebe.net/2014/07/amplitudnye-detektory-na-ou-v-ustrojstvax-na-mikrosxemax (date of access: 11.11.2019).
13. Микросхема К561ИЕ8. Описание и схема включения [Электронный ресурс] // URL: http://www.joyta.ru/7402-mikrosxema-k561ie8-opisanie-i-sxema-vklyucheniya (дата обращения: 11.11.2019).13. Microcircuit K561IE8. Description and connection diagram [Electronic resource] // URL: http://www.joyta.ru/7402-mikrosxema-k561ie8-opisanie-i-sxema-vklyucheniya (date of access: 11.11.2019).
14. Усилитель на микросхеме TDA7250 [Электронный ресурс] // URL: http://www.radiomaster.net/pdf/audio/us_mos.pdf (дата обращения: 11.11.2019).14. Amplifier on the TDA7250 microcircuit [Electronic resource] // URL: http://www.radiomaster.net/pdf/audio/us_mos.pdf (access date: 11.11.2019).
15. Портативные плееры [Электронный ресурс] // URL: https://headphonesbest.ru/portativnyj-pleer/14941top-15-luchshix-portativnyx-mp3-pleerov.html (дата обращения: 11.11.2019).15. Portable players [Electronic resource] // URL: https://headphonesbest.ru/portativnyj-pleer/14941top-15-luchshix-portativnyx-mp3-pleerov.html (date accessed: 11.11.2019).
16. Микроконтроллеры MC68HC908JL3/JK3/JK1 [Электронный ресурс] // URL: http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_06/stat_92.htm (дата обращения: 11.11.2019).16. Microcontrollers MC68HC908JL3 / JK3 / JK1 [Electronic resource] // URL: http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_06/stat_92.htm (date accessed: 11.11.2019).
17. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. Учебное пособие для вузов. М.: Сов. Радио, 1976.17. Penin P.I. Digital information transmission systems. Textbook for universities. M .: Sov. Radio, 1976.
18. Богородский В.В., Зубарев Л.А., Корепин Е.А., Якушев В.И. Подводные электроакустические преобразователи. Расчет и проектирование. Л.: Судостроение, 1983.18. Bogorodsky V.V., Zubarev L.A., Korepin E.A., Yakushev V.I. Underwater electroacoustic transducers. Calculation and design. L .: Shipbuilding, 1983.
19. Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики. Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1978.19. Robert J. Urik. Fundamentals of hydroacoustics. Per. from English. L .: Shipbuilding, 1978.
Claims (31)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019145191A RU2727331C1 (en) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Method for hydroacoustic search for an autonomous underwater bottom object |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019145191A RU2727331C1 (en) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Method for hydroacoustic search for an autonomous underwater bottom object |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2727331C1 true RU2727331C1 (en) | 2020-07-21 |
Family
ID=71741318
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019145191A RU2727331C1 (en) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Method for hydroacoustic search for an autonomous underwater bottom object |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2727331C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113124865A (en) * | 2021-04-20 | 2021-07-16 | 中山大学 | Underwater vehicle navigation positioning system and control method |
RU2788477C1 (en) * | 2022-02-17 | 2023-01-19 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | The method for information processing in the noise direction-finding mode of the hydroacoustic complex |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007022233A2 (en) * | 2005-08-16 | 2007-02-22 | Ocean Server Technology, Inc. | Underwater acoustic positioning system and method |
RU2381518C2 (en) * | 2008-04-21 | 2010-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОПАРК "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА" (ООО "ТП РЭ") | Underwater positioner |
RU2538440C2 (en) * | 2013-03-25 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") | Underwater situation presenting system |
RU2561012C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-08-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | System for determining and monitoring location of underwater object |
RU2593651C1 (en) * | 2015-06-09 | 2016-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук | Hydroacoustic method for location of autonomous underwater vehicles |
RU2700278C1 (en) * | 2018-08-01 | 2019-09-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) | Method of determining location of underwater object |
-
2019
- 2019-12-25 RU RU2019145191A patent/RU2727331C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007022233A2 (en) * | 2005-08-16 | 2007-02-22 | Ocean Server Technology, Inc. | Underwater acoustic positioning system and method |
RU2381518C2 (en) * | 2008-04-21 | 2010-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОПАРК "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА" (ООО "ТП РЭ") | Underwater positioner |
RU2538440C2 (en) * | 2013-03-25 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") | Underwater situation presenting system |
RU2561012C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-08-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | System for determining and monitoring location of underwater object |
RU2593651C1 (en) * | 2015-06-09 | 2016-08-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук | Hydroacoustic method for location of autonomous underwater vehicles |
RU2700278C1 (en) * | 2018-08-01 | 2019-09-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) | Method of determining location of underwater object |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113124865A (en) * | 2021-04-20 | 2021-07-16 | 中山大学 | Underwater vehicle navigation positioning system and control method |
CN113124865B (en) * | 2021-04-20 | 2023-05-26 | 中山大学 | Navigation positioning system and control method for underwater vehicle |
RU2788477C1 (en) * | 2022-02-17 | 2023-01-19 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | The method for information processing in the noise direction-finding mode of the hydroacoustic complex |
RU2789714C1 (en) * | 2022-04-11 | 2023-02-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) | Method for checking the accuracy of navigation of an autonomous uninhabited underwater vehicle |
RU2789636C1 (en) * | 2022-07-26 | 2023-02-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Subscriber receiver as part of a deep-sea long-range hydroacoustic positioning system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108398677A (en) | The three one-dimensional phases of coordinate continuous wave sweep unmanned plane low target detecting system | |
RU2456634C1 (en) | Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system | |
EP2550542B1 (en) | Robust ultrasonic indoor positioning system with high accuracy | |
CN208172249U (en) | Underwater Long baselines positioning system based on Large marine floating platform | |
US5469403A (en) | Digital sonar system | |
US10520599B2 (en) | Systems and methods for identifying and locating target objects based on echo signature characteristics | |
CN104808212A (en) | Parametric-array remote fish finding system | |
Munafò et al. | Continuous active sonars for littoral undersea surveillance | |
JP2017181448A (en) | Active sonar control device, transmission control method, and program | |
US7362655B1 (en) | Time-synchronous acoustic signal ranging system and method | |
RU2727331C1 (en) | Method for hydroacoustic search for an autonomous underwater bottom object | |
RU2451300C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
JP6587564B2 (en) | Acoustic measurement device, acoustic measurement method, multi-beam acoustic measurement device, and aperture synthesis sonar | |
Dzikowicz et al. | Demonstration of spiral wavefront navigation on an unmanned underwater vehicle | |
CN202995039U (en) | Underwater object detection system based on frequency spectrum cognition and segment frequency hopping modulation | |
RU2477497C2 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
RU2444753C1 (en) | Radio monitoring method of air objects | |
RU2444756C1 (en) | Detection and localisation method of air objects | |
RU2762349C1 (en) | Method for covert hydroacoustic search for an autonomous bottom underwater object | |
Braca et al. | Particle filtering approach to multistatic underwater sensor networks with left-right ambiguity | |
JP2004264070A (en) | Bistatic azimuth detection system and detection method | |
CN112816945A (en) | Method and system for calculating out-of-plane distributed phased array radar coherent synthetic gain | |
Prabha et al. | Localisation of underwater targets using sensor networks | |
Ahmed et al. | Simulation of ultra short baseline system for positioning of underwater vehicles | |
JP2516754B2 (en) | Sonobui |