RU2794700C1 - Method for positioning an underwater object at long distances - Google Patents
Method for positioning an underwater object at long distances Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794700C1 RU2794700C1 RU2022120455A RU2022120455A RU2794700C1 RU 2794700 C1 RU2794700 C1 RU 2794700C1 RU 2022120455 A RU2022120455 A RU 2022120455A RU 2022120455 A RU2022120455 A RU 2022120455A RU 2794700 C1 RU2794700 C1 RU 2794700C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- receiver
- time
- arrival
- coordinates
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидроакустической навигации, и может быть использовано для измерения дистанции между гидроакустическими маяками (ГМ) и подводными объектами (ПО), находящимися вблизи оси подводного звукового канала (ПЗК).The invention relates to the field of hydroacoustic navigation, and can be used to measure the distance between hydroacoustic beacons (GM) and underwater objects (PO) located near the axis of the underwater sound channel (USC).
При исследовании и освоении океана с применением ПО высокой автономности необходимо выполнять их позиционирование (определение собственных координат) на удалениях в сотнях километров от пунктов управления. Предназначенные для этого автономные бортовые навигационные инерциальные системы требуют периодической коррекции выходных координат: либо по сигналам от донных маяков-ответчиков по гидроакустическому каналу (требуется оборудование маяками-ответчиками района ограниченной площади функционирования ПО), либо по радионавигационным или спутниковым навигационным системам, что требует всплытия на поверхность. Многие задачи ПО выполняют без возможности всплытия (например, подо льдом) и в отсутствие судов сопровождения. В этих условиях позиционирование проводят посредством дальномерных синхронизированных навигационных систем с гидроакустическими маяками, причем для достижения большой дальности действия в навигационных системах используют мощные низкочастотные излучатели и сложные сигналы, причем акустический приемник ПО располагают вблизи оси ПЗК, используя уникальные свойства канала концентрировать акустическую энергию.When exploring and developing the ocean using high-autonomy software, it is necessary to position them (determine their own coordinates) at distances of hundreds of kilometers from control points. The autonomous onboard inertial navigation systems intended for this require periodic correction of the output coordinates: either by signals from bottom transponder beacons via a hydroacoustic channel (equipment with beacons-responders of the area of a limited area of operation of the software is required), or by radio navigation or satellite navigation systems, which requires ascent to surface. Many RO tasks are performed without the possibility of surfacing (for example, under ice) and in the absence of escort vessels. Under these conditions, positioning is carried out by means of rangefinder synchronized navigation systems with hydroacoustic beacons, and in order to achieve a long range of action, powerful low-frequency emitters and complex signals are used in navigation systems, and the acoustic receiver PO is located near the SVK axis, using the unique properties of the channel to concentrate acoustic energy.
Преимущества использования сложных сигналов в радиолокации и гидроакустике заключается в том, что они наиболее пригодны для борьбы с характерной для больших дистанций многолучевостью распространения в среде сигнала источника путем выделения ее компонент взаимно корреляционной обработкой излученного и принятого сигналов в бортовом устройстве вычисления координат.Результатом является улучшение разрешения по дальности (или доплеровской частоте), улучшение помехозащищенности от пассивных и сосредоточенных по спектру помех, и, как следствие, возможность снижения мощности сигнала (или увеличения дальности приема) [1], стр. 575.The advantages of using complex signals in radar and hydroacoustics is that they are most suitable for combating the multipath propagation characteristic of long distances in the source signal medium by extracting its components by cross-correlation processing of the transmitted and received signals in the on-board position calculation device. The result is an improvement in resolution in range (or Doppler frequency), improved noise immunity from passive and concentrated interference, and, as a result, the possibility of reducing the signal power (or increasing the reception range) [1], p. 575.
Одним из способов получения сложных сигналов является фазовая манипуляция несущей частоты, например, последовательностями максимальной длины (М-последовательности). Цифровая техника позволяет формировать и кодировать такие сигналы «с высокой точностью и стабильностью, что в сочетании с когерентностью несущей повышает точность формирования зондирующего и опорного сигналов». Помимо фазоманипулированных, в качестве сложных сигналов используют также частотно-модулированные или частотно-манипулированные сигналы [1].One way to obtain complex signals is the phase shift keying of the carrier frequency, for example, sequences of maximum length (M-sequences). Digital technology makes it possible to form and encode such signals "with high accuracy and stability, which, in combination with carrier coherence, increases the accuracy of the formation of the probing and reference signals." In addition to phase shift keying, frequency-modulated or frequency-shift keyed signals are also used as complex signals [1].
Различия методов модуляции несущественны в случае соблюдения параметров модуляции, связанных с длительностью элементарного символа и частотным сдвигом, которые определяют полосу используемых частот и временное разрешение. Так, при частотной модуляции, длительность символа будет определять не только скорость следования их в канале распространения, но и величину суммарного частотного сдвига (девиация частоты, умноженная на время), в то время, как при фазовой - только его время и полосу, определяемую, как обратная величина от длительности символа.Differences in modulation methods are not significant if the modulation parameters associated with the duration of the elementary symbol and the frequency shift, which determine the bandwidth of the frequencies used and the temporal resolution, are respected. So, with frequency modulation, the duration of the symbol will determine not only the speed of their repetition in the propagation channel, but also the amount of the total frequency shift (frequency deviation multiplied by time), while, with phase modulation, only its time and bandwidth, determined by as the reciprocal of the character duration.
Искаженный отражающими границами среды распространения, и ставший многолучевым, сигнал обнаруживают акустическим приемником ПО, и после его взаимно корреляционной обработки с электронной копией излученного, сигнал представляет собой последовательность острых неперекрывающихся пиков функции корреляции, которую называют «импульсной характеристикой канала» (ИХК), а в зарубежной литературе - «rake» (грабли, расческа), по причине схожести с внешним видом функции.Distorted by the reflecting boundaries of the propagation medium, and becoming multipath, the signal is detected by the acoustic receiver software, and after its cross-correlation processing with an electronic copy of the emitted signal, the signal is a sequence of sharp non-overlapping peaks of the correlation function, which is called the “channel impulse response” (CIC), and in foreign literature - "rake" (rake, comb), due to the similarity with the appearance of the function.
При формировании сложных сигналов для ГМ, входящих в навигационную систему большой дальности действия, необходимо учесть различие в технических характеристиках излучателей этих маяков, а именно отличия по полосам рабочих частот, присущих каждому излучателю. Поэтому такая характеристика сложного сигнала, как минимальное число периодов несущей частоты в одном символе кодовой последовательности, определяющая максимальную разрешающую способность во времени и полосу частот сигнала, должна соответствовать полосе рабочих частот излучателя.When forming complex signals for GMs included in a long-range navigation system, it is necessary to take into account the difference in the technical characteristics of the emitters of these beacons, namely, the differences in the operating frequency bands inherent in each emitter. Therefore, such a characteristic of a complex signal as the minimum number of periods of the carrier frequency in one symbol of the code sequence, which determines the maximum resolution in time and the bandwidth of the signal, must correspond to the operating frequency band of the emitter.
В процессе позиционирования ПО возникает необходимость передать как навигационный сигнал, так и служебную информацию или команды. Для этого удобнее сформировать составной сигнал из нескольких, требуемых в конкретном случае (сигнальный фрейм). В связи с различиями в полосах частот, структуре навигационных сигналов, а также передаваемой информации, формируют для каждого ГМ отдельный сигнальный фрейм, который далее излучают в среду по установленному расписанию.In the process of software positioning, it becomes necessary to transmit both a navigation signal and service information or commands. To do this, it is more convenient to form a composite signal from several required in a particular case (signal frame). Due to differences in frequency bands, the structure of navigation signals, as well as transmitted information, a separate signal frame is formed for each GM, which is then emitted into the environment according to a set schedule.
Погрешность измерения дистанции от ГМ до ПО зависит от погрешности измерения координат позиций излучателей навигационных сигналов (излучателей ГМ), и в большей степени - от погрешности определения скоростей звука на измеряемых дистанциях, а также погрешности определения моментов приема навигационных сигналов, пришедших от излучателя к приемнику по кратчайшему пути.The error in measuring the distance from the HM to the SW depends on the error in measuring the coordinates of the positions of the navigation signal emitters (emitters of the HM), and to a greater extent - on the error in determining the speed of sound at the measured distances, as well as the error in determining the moments of reception of navigation signals that came from the transmitter to the receiver along the shortest path.
Координаты излучателей ГМ и необходимые для расчета дистанций данные о величине скорости звука предварительно вводят в память бортовой навигационной системы ПО, а работу маяков и бортового устройства вычисления координат ПО синхронизируют, устанавливая на них систему единого времени с приемниками GPS/ГЛОНАСС, а при невозможности их использования - высокоточные генераторы синхроимпульсов и программу расписания работ. Такой способ изложен, например, в патенте US 20120092964 А1 Long-range acoustical positioning system on continental shelf regions (Система акустического позиционирования на больших дальностях в районах континентального шельфа), в котором описаны способ и устройство для определения геофизического положения автономной подводной системы, использующей подводные акустические модемы, обменивающиеся сложными сигналами. Недостатком данного способа является ограниченная масштабами континентального шельфа и применением акустических модемов (работа в режиме «запрос-ответ») предельная дальность действия системы (около 100 км).The coordinates of the GM emitters and the data on the magnitude of the speed of sound necessary for calculating the distances are previously entered into the memory of the onboard navigation system software, and the operation of the beacons and the onboard device for calculating the coordinates of the software is synchronized by setting a single time system with GPS / GLONASS receivers on them, and if it is impossible to use them - high-precision clock generators and a program for the schedule of work. Such a method is described, for example, in US 20120092964 A1 Long-range acoustical positioning system on continental shelf regions, which describes a method and apparatus for determining the geophysical position of an autonomous underwater system using underwater acoustic modems exchanging complex signals. The disadvantage of this method is the limited range of the continental shelf and the use of acoustic modems (operation in the "request-response" mode) the maximum range of the system (about 100 km).
Известен также способ позиционирования подводных объектов по патенту РФ №2469346 С1, предназначенный для применения на больших дистанциях, который наиболее близок по содержанию к заявляемому и принят в качестве прототипа предложенного решения. В соответствии с этим изобретением, задача увеличения дальности действия и повышения точности позиционирования решается способом позиционирования как минимум одного ПО, снабженного акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат, заключающимся в установке в морской среде как минимум двух стационарных ГМ, синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником ПО, излучении маяками гидроакустического сигнала, его приеме акустическим приемником подводного объекта, и последующем вычислении координат ПО с использованием известных координат ГМ и рассчитанных дистанций между ГМ и ПО на основе известных данных о скорости звука в среде и задержки во времени прихода полезных сигналов. Координаты маяков и электронные копии излучаемых ими сигналов вводят в память бортового устройства вычисления координат ПО заранее, а в качестве гидроакустического сигнала используют низкочастотные сложные сигналы с центральной частотой ниже 10 кГц. Вычисление координат ПО включает выделение бортовым устройством полезного сигнала гидроакустических маяков посредством их взаимно корреляционной обработки с электронной копией излученного сигнала в реальном времени. Там же определены условия по выбору прихода полезного сигнала на основе результатов корреляционной обработки: из последовательности максимумов ИХК, при дистанциях больших 20 км и глубокого моря, выбирается последний по времени, который обусловлен минимальной скоростью звука и ходом акустических лучей вблизи оси ПЗК по кратчайшему пути к приемнику ПО.There is also known a method of positioning underwater objects according to the patent of the Russian Federation No. 2469346 C1, intended for use at long distances, which is closest in content to the claimed and adopted as a prototype of the proposed solution. In accordance with this invention, the task of increasing the range and increasing the positioning accuracy is solved by the method of positioning at least one software equipped with an acoustic receiver and an onboard coordinate calculation device, which consists in installing at least two stationary GMs in the marine environment, synchronized by a common time system with each other and with an acoustic receiver of the SO, the emission of a hydroacoustic signal by beacons, its reception by an acoustic receiver of an underwater object, and the subsequent calculation of the coordinates of the SO using the known coordinates of the HM and the calculated distances between the HM and the SO based on the known data on the speed of sound in the medium and the time delay of the arrival of useful signals . The coordinates of the beacons and electronic copies of the signals emitted by them are entered into the memory of the onboard device for calculating the coordinates of the software in advance, and low-frequency complex signals with a center frequency below 10 kHz are used as a hydroacoustic signal. Calculation of the coordinates of the software includes the selection by the on-board device of the useful signal of hydroacoustic beacons by means of their cross-correlation processing with an electronic copy of the emitted signal in real time. The conditions for choosing the arrival of a useful signal based on the results of correlation processing are also determined there: from the sequence of CCI maxima, at distances greater than 20 km and deep sea, the last one is selected in time, which is due to the minimum sound speed and the path of acoustic rays near the USC axis along the shortest path to software receiver.
Однако, реализация указанного способа и последующие натурные эксперименты и показали, что по ИХК, получаемой после обработки бортовым вычислительным устройством ПО сигналов ГМ, не всегда возможно однозначно определить время последнего прихода полезного сигнала, поскольку ИХК может содержать несколько близких максимумов, появляющихся при смещении акустического приемника ПО относительно оси ПЗК. Поиск оси ПЗК по имеющимся гидрологическим данным, и даже определение ее положения в оперативном порядке гидрологическим зондом, связаны с определенной погрешностью, а зафиксировать и удерживать приемник ПО (или ПО целиком) на заданной глубине технически сложно. Поэтому в реальных условиях ПО, находясь в границах ПЗК, должен располагаться вблизи оси ПЗК, а неопределенность его положения, трансформирующаяся в изменение формы ИХК и, как следствие, в неопределенность момента регистрации прихода полезного сигнала, необходимо компенсировать.However, the implementation of this method and subsequent full-scale experiments showed that it is not always possible to unambiguously determine the time of the last arrival of the useful signal from the CCI obtained after processing the on-board computer software of the GM signals, since the CCI may contain several close maxima that appear when the acoustic receiver is shifted PO relative to the PZK axis. Searching for the SSV axis using the available hydrological data, and even determining its position promptly with a hydrological probe, is associated with a certain error, and it is technically difficult to fix and hold the PO receiver (or the entire OP) at a given depth. Therefore, in real conditions, the PO, being within the boundaries of the PZK, should be located near the PZK axis, and the uncertainty of its position, which transforms into a change in the shape of the ICC and, as a result, into the uncertainty at the moment of registration of the arrival of a useful signal, must be compensated.
Таким образом, существует проблема однозначного определения момента прихода полезного сигнала на приемник ПО, требующая решения для снижения погрешности расчета дистанций.Thus, there is a problem of unambiguous determination of the moment of arrival of a useful signal at the receiver, which needs to be solved in order to reduce the error in calculating distances.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в снижении погрешности определения дистанций между излучателями ГМ и приемником ПО и, как следствие, в снижении погрешности позиционирования ПО.The technical result of the proposed invention is to reduce the error in determining the distances between the GM emitters and the receiver, and, as a result, to reduce the positioning error of the software.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе позиционирования подводного объекта, снабженного акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат, включающем установку в морской среде как минимум двух излучателей гидроакустических маяков (ГМ) с известными координатами их позиций и синхронизированных системой единого времени между собой и совместно с акустическим приемником ПО, ввод электронных копий излучаемых маяками сигналов в память бортового устройства вычисления координат ПО, излучение маяками сложных низкочастотных сигналов, прием их акустическим приемником ПО вблизи оси ПЗК и вычисление времен приходов полезных сигналов посредством взаимно корреляционной обработки в реальном времени принятых сигналов с электронной копией излученных, вычисление дистанций между излучателями ГМ и приемником ПО, а также координат ПО с использованием известных координат излучателей ГМ, при этом для каждого ГМ формируют отдельный сигнальный фрейм, который включает не менее двух сложных низкочастотных сигналов в виде кодовых последовательностей, отличающихся разрешающей способностью во времени не менее чем в 2 раза, например, фазоманипулированные или частотно-модулированные сигналы, при этом время прихода сигналов фрейма, прошедших в ПЗК по своим лучевым траекториям вычисляют с разрешением, равным длительности одного символа каждой из последовательностей фрейма, а время прихода полезного сигнала для вычисления дистанций между излучателями ГМ и приемником ПО определяют по времени появления одиночного максимума наибольшей энергии при сравнении всех корреляционных функций фрейма.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of positioning an underwater object equipped with an acoustic receiver and an on-board device for calculating coordinates, including the installation in the marine environment of at least two emitters of hydroacoustic beacons (GM) with known coordinates of their positions and synchronized by a common time system between themselves and jointly with an acoustic receiver SW, input of electronic copies of the signals emitted by the beacons into the memory of the on-board device for calculating the coordinates of the SW, emission by the beacons of complex low-frequency signals, their reception by the acoustic receiver SW near the SSV axis and calculation of the times of arrival of useful signals by means of cross-correlation processing in real time of the received signals from the electronic a copy of the emitted ones, calculation of the distances between the GM emitters and the software receiver, as well as the coordinates of the software using the known coordinates of the GM emitters, while for each GM a separate signal frame is formed, which includes at least two complex low-frequency signals in the form of code sequences that differ in resolution in time not less than 2 times, for example, phase-shift keyed or frequency-modulated signals, while the time of arrival of the frame signals that have passed into the SCD along their ray trajectories is calculated with a resolution equal to the duration of one symbol of each of the frame sequences, and the arrival time of the useful signal for calculation of the distances between the GM emitters and the UE receiver is determined by the time of occurrence of a single maximum of the highest energy when comparing all the correlation functions of the frame.
Существует вариант способа, отличающийся тем, что в качестве сложных низкочастотных сигналов используют фазовую модуляцию несущей частоты излучения последовательностями максимальной длины (М-последовательностями), поскольку при излучении таких сигналов в пределах длительности импульса мощность системы излучения постоянна и источники электропитания аппаратуры излучения сигналов используются достаточно эффективно.There is a variant of the method, characterized in that phase modulation of the carrier frequency of radiation by sequences of maximum length (M-sequences) is used as complex low-frequency signals, since when such signals are emitted within the pulse duration, the power of the radiation system is constant and the power sources of the signal emission equipment are used quite efficiently .
Способ позиционирования подводного объекта на больших дистанциях реализуется следующим образом.The method of positioning an underwater object at large distances is implemented as follows.
В качестве ГМ используют гидроакустический комплекс (ГАК), включающий аппаратуру формирования и усиления мощности сигналов, а также широкополосный низкочастотный гидроакустический излучатель. С помощью аппаратуры ГАК программно формируют отдельный сигнальный фрейм, включающий в качестве навигационных два сложных сигнала, и загружают их в память генераторов сигналов ГМ. Этими сигналами в сигнальном фрейме являются, например, две фазоманипулированные М-последовательности, различающиеся длительностью и числом символов, что впоследствии, при корреляционной обработке пришедших к приемнику ПО сигналов, позволяет интегрировать акустическую энергию элементарных лучевых приходов на соответствующих длительностях символов, и получить для одного из сигналов импульсную характеристику, имеющую однозначно определяемый пик (максимум энергии). Количество отличных разрешающей способностью сигналов в составе фрейма не может быть большим ввиду увеличения времени позиционирования и перегрузки усилителя мощности ГМ излучением импульса большой длительности. Предпочтительным и достаточным является наличие в сформированном фрейме от двух до пяти сигналов с кратностью длительности одного символа не менее 2 и не более 10, что более точно определяется численным моделированием и акустической калибровкой навигационного района. Выделение же момента появления максимума энергии позволяет достоверно определить время задержки прихода сигнала от излучателя ГМ к приемнику ПО.As GM, a hydroacoustic complex (HAC) is used, including equipment for generating and amplifying signal power, as well as a broadband low-frequency hydroacoustic emitter. With the help of the HAC equipment, a separate signal frame is programmatically formed, including two complex signals as navigation signals, and they are loaded into the memory of the GM signal generators. These signals in the signal frame are, for example, two phase-shift keyed M-sequences that differ in duration and number of symbols, which subsequently, with the correlation processing of the signals that came to the SO receiver, makes it possible to integrate the acoustic energy of elementary ray arrivals at the corresponding symbol durations, and obtain for one of signals an impulse response that has a uniquely defined peak (energy maximum). The number of signals with excellent resolution in the frame cannot be large due to the increase in positioning time and overloading the GM power amplifier with long-duration pulse radiation. Preferably and sufficient is the presence in the formed frame from two to five signals with a multiplicity of the duration of one symbol of at least 2 and not more than 10, which is more accurately determined by numerical modeling and acoustic calibration of the navigation area. The allocation of the moment of the appearance of the energy maximum makes it possible to reliably determine the delay time of the signal arrival from the GM emitter to the SO receiver.
До перехода ПО в навигационный район выполняют процедуру синхронизации работы двух ГМ и ПО, в результате которой бортовое устройство вычисления координат ведет постоянно отсчет времени от программно обозначенного системой единого времени момента излучения сигнального фрейма каждым из ГМ до появления полезных сигналов на приемнике ПО.Prior to the transition of the software to the navigation area, the procedure for synchronizing the operation of two GMs and the HS is performed, as a result of which the onboard device for calculating coordinates constantly counts the time from the moment of signal frame emission by each of the GMs programmed by the common time system to the appearance of useful signals at the SM receiver.
ПО переходит в навигационный район, где, используя бортовой измеритель скорости звука, определяет по минимуму скорости звука ось ПЗК и, маневрируя вблизи оси ПЗК, принимает сигналы каждого ГМ акустическим приемником.The software goes to the navigation area, where, using the onboard sound velocity meter, it determines the SSV axis by the minimum sound velocity and, maneuvering near the SSV axis, receives the signals of each HM with an acoustic receiver.
В бортовом устройстве вычисления координат принятые сигналы декодируют посредством взаимно корреляционной обработки принятых сигналов с их электронными копиями, содержащимися в памяти устройства, причем дистанции между каждым ГМ и приемником ПО вычисляют после обработки всех последовательностей соответствующего маяку сигнального фрейма, для чего вначале сравнивают все корреляционные функции фрейма по количеству и энергии максимумов, далее выделяют среди них корреляционную функцию с одиночным максимумом наибольшей энергии, и определяют время, соответствующее этому максимуму. Полученное время, которое соответствует задержке прихода сигналов от излучателя ГМ, далее используют для расчета искомой дистанции умножением на известную на данной акустической трассе скорость звука.In the on-board device for calculating coordinates, the received signals are decoded by cross-correlation processing of the received signals with their electronic copies contained in the memory of the device, and the distances between each GM and the software receiver are calculated after processing all the sequences of the signal frame corresponding to the beacon, for which all correlation functions of the frame are first compared according to the number and energy of the maxima, then a correlation function with a single maximum of the highest energy is distinguished among them, and the time corresponding to this maximum is determined. The resulting time, which corresponds to the delay in the arrival of signals from the GM emitter, is then used to calculate the required distance by multiplying by the speed of sound known on the given acoustic path.
Таким образом, наличие в сформированном фрейме сигналов с различной разрешающей способностью позволяет за счет интегрирования акустической энергии в границах ПЗК получить при корреляционной обработке принятых сигналов однозначно определяемый максимум энергии даже при возможных смещениях приемника относительно оси ПЗК, а, следовательно, достоверно определить время прихода сигналов, что снижает погрешность определения дистанций между излучателем ГМ и ПО и решает поставленную задачу, а именно, снизить погрешность определения дальности и погрешности позиционирования ПО.Thus, the presence of signals with different resolutions in the formed frame makes it possible, by integrating the acoustic energy within the boundaries of the SSV, to obtain a uniquely determined energy maximum during the correlation processing of the received signals, even with possible displacements of the receiver relative to the SSV axis, and, therefore, to reliably determine the time of arrival of signals, which reduces the error in determining the distances between the GM emitter and the software and solves the problem, namely, to reduce the error in determining the range and positioning errors of the software.
На фиг. 1 приведены результаты эксперимента, проведенного в Японском море в апреле 2014 года [2]. Эксперимент проводился в течение пяти суток и заключался в приеме сложных сигналов в трех точках на удалении 27, 82 и 144 км от источника, расположенного на шельфе. Один раз в минуту излучались фазоманипулированные сигналы с центральной частотой 500 Гц (М-последовательности, 255 символов, 4 периода несущей частоты на символ). В качестве имитатора приемного тракта ПО использовался радиогидроакустический буй с гидрофоном, заглубленным ориентировочно до оси ПЗК. Производилось вычисление функций взаимной корреляции принятых сигналов с репликами излученных для получения импульсных откликов канала распространения.In FIG. Figure 1 shows the results of an experiment conducted in the Sea of Japan in April 2014 [2]. The experiment was carried out for five days and consisted in receiving complex signals at three points at a distance of 27, 82 and 144 km from a source located on the shelf. Once per minute, phase-shift keyed signals were emitted with a center frequency of 500 Hz (M-sequences, 255 symbols, 4 carrier cycles per symbol). A radio sonar buoy with a hydrophone buried approximately to the SSC axis was used as a simulator of the receiving path of the software. The cross-correlation functions of the received signals with replicas of the emitted signals were calculated to obtain the impulse responses of the propagation channel.
На фиг. 1 приведены 20-минутные фрагменты импульсных характеристик, полученные в трех точках трассы. Можно отметить стабильную, с хорошим превышением над помехой структуру приходов сигналов. По временам приходов видно, что в первых двух точках буй с приемной системой дрейфовал приблизительно перпендикулярно трассе источник - приемник, а в третьей удалялся от источника. В первой точке, расположенной над свалом глубин, импульсная характеристика состоит из одного прихода акустической энергии, т.к., по-видимому, удалось поместить приемный гидрофон точно на оси ПЗК. Во второй точке наблюдается от двух до четырех приходов акустической энергии, распространяющейся по лучевым траекториям вблизи оси ПЗК, но максимальные значения стабильно отмечаются на двух приходах с разницей во времени около 30 мс. Более сложная структура из семи приходов, растянутых по времени до 100 мс, фиксируется в третьей точке.In FIG. 1 shows 20-minute fragments of impulse responses obtained at three points of the trace. It can be noted that the structure of signal arrivals is stable, with a good excess over the interference. It can be seen from the arrival times that at the first two points the buoy with the receiving system drifted approximately perpendicular to the source-receiver path, and at the third it moved away from the source. At the first point, located above the depth slope, the impulse response consists of a single arrival of acoustic energy, since, apparently, it was possible to place the receiving hydrophone exactly on the USC axis. At the second point, there are from two to four arrivals of acoustic energy propagating along ray trajectories near the USC axis, but the maximum values are stably observed at two arrivals with a time difference of about 30 ms. A more complex structure of seven arrivals, stretched in time up to 100 ms, is fixed at the third point.
Эти результаты показывают важность выбора оптимальных характеристик излучаемых сигналов, что может быть достигнуто посредством излучения сигнального фрейма, состоящего из нескольких отличных по длительности символа сигналов. Для случая растянутой во времени импульсной характеристики оптимальным становится применение сложных сигналов с более узкой полосой и большей длительностью символа, которое позволяет интегрировать акустическую энергию элементарных лучевых приходов, пришедших в точку приема в более широком диапазоне углов и на большем временном интервале. Кроме этого, достигается снижение погрешности измерения времени прохождения сигналов между излучателем ГМ и приемником ПО, т.к. принимается один стабильный по времени приход акустической энергии.These results show the importance of choosing the optimal characteristics of the emitted signals, which can be achieved by emitting a signal frame consisting of several signals of different symbol duration. For the case of a time-stretched impulse response, the use of complex signals with a narrower bandwidth and a longer symbol duration becomes optimal, which makes it possible to integrate the acoustic energy of elementary ray arrivals that arrived at the receiving point in a wider range of angles and over a longer time interval. In addition, a decrease in the measurement error of the signal transit time between the GM emitter and the SO receiver is achieved, since one time-stable arrival of acoustic energy is accepted.
Таким образом, заявляемый способ является промышленно реализуемым, а его применение уменьшает погрешность позиционирования ПО.Thus, the proposed method is commercially feasible, and its use reduces the software positioning error.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Гидроакустическая энциклопедия/ Под общ. ред. В.И. Тимошенко. -Таганрог: Издательство. ТРТУ, 1999, -788 с., илл., табл.1. Hydroacoustic encyclopedia / Under the general. ed. IN AND. Timoshenko. -Taganrog: Publishing house. TRTU, 1999, -788 p., ill., tab.
2. Моргунов Ю.Н., Безответных В.В., Бородин А.Е., Буренин А.В., Войтенко Е.А. Исследование особенностей функционирования региональной системы подводного навигационного обеспечения в различных гидрологических условиях// Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2016. Т. 9, №3. С. 80-86.2. Morgunov Yu.N., Bezotvetnykh V.V., Borodin A.E., Burenin A.V., Voitenko E.A. Study of the functioning of the regional system of underwater navigation support in various hydrological conditions // Fundamental and applied hydrophysics. 2016. V. 9, No. 3. pp. 80-86.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2794700C1 true RU2794700C1 (en) | 2023-04-24 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU713278C (en) * | 1978-04-03 | 1994-09-15 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН | Hydraulic-acoustic synchronous navigation rho-rho system |
| RU2084923C1 (en) * | 1995-01-11 | 1997-07-20 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАМ | Hydroacoustic long-range navigation system |
| RU2469346C1 (en) * | 2011-07-11 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of positioning underwater objects |
| RU2555479C2 (en) * | 2013-11-26 | 2015-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | High-precision coordination of underwater complex for underwater navigation |
| US9223002B2 (en) * | 2006-02-23 | 2015-12-29 | Ocean Server Technology, Inc. | System and method for determining the position of an underwater vehicle |
| RU2674404C1 (en) * | 2018-01-10 | 2018-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation |
| RU2771443C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-05-04 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for positioning underwater objects |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU713278C (en) * | 1978-04-03 | 1994-09-15 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН | Hydraulic-acoustic synchronous navigation rho-rho system |
| RU2084923C1 (en) * | 1995-01-11 | 1997-07-20 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАМ | Hydroacoustic long-range navigation system |
| US9223002B2 (en) * | 2006-02-23 | 2015-12-29 | Ocean Server Technology, Inc. | System and method for determining the position of an underwater vehicle |
| RU2469346C1 (en) * | 2011-07-11 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of positioning underwater objects |
| RU2555479C2 (en) * | 2013-11-26 | 2015-07-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | High-precision coordination of underwater complex for underwater navigation |
| RU2674404C1 (en) * | 2018-01-10 | 2018-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation |
| RU2771443C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-05-04 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for positioning underwater objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2599902C1 (en) | Method of navigating underwater objects and system for its implementation | |
| US6532192B1 (en) | Subsea positioning system and apparatus | |
| US9170319B2 (en) | Determining position of underwater node | |
| US10656267B2 (en) | Underwater acoustic tracking and two way messaging system | |
| RU2365939C1 (en) | Method of underwater navigation | |
| RU2561012C1 (en) | System for determining and monitoring location of underwater object | |
| RU2456634C1 (en) | Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system | |
| RU2437114C1 (en) | System for determining coordinates of underwater objects | |
| RU2674404C1 (en) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation | |
| RU2659299C1 (en) | Method and system of navigation of underwater objects | |
| AU2005268886B2 (en) | Method for an antenna angular calibration by relative distance measuring | |
| US10955523B1 (en) | Deep ocean long range underwater navigation algorithm (UNA) for determining the geographic position of underwater vehicles | |
| JP2017166880A (en) | Acoustic measuring device, acoustic measuring method, multi-beam acoustic measuring device, and synthetic aperture sonar | |
| RU2794700C1 (en) | Method for positioning an underwater object at long distances | |
| RU2700278C1 (en) | Method of determining location of underwater object | |
| JP2000258448A (en) | Information collecting device of acoustic tomography | |
| CN104316906B (en) | System for estimating high-speed motion target track based on dual reference sources | |
| RU2084923C1 (en) | Hydroacoustic long-range navigation system | |
| RU2624980C1 (en) | Hydroacoustic rho-rho navigation system | |
| US12019154B2 (en) | Underwater acoustic tracking and two way messaging system | |
| Wu et al. | Doppler aided synthetic long baseline navigation for a fast-moving underwater vehicles | |
| Ahmed et al. | Simulation of ultra short baseline system for positioning of underwater vehicles | |
| Bezotvetnykh et al. | Specificities of applying pseudorandom sound signals to measuring impulse responses on the shelf of the Sea of Japan | |
| RU2789636C1 (en) | Subscriber receiver as part of a deep-sea long-range hydroacoustic positioning system | |
| RU2289149C2 (en) | Hydro-acoustic synchronous long-range distance measuring navigation system |