CC BY
189
УДК 626
МЕТОД ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА В ПРОЦЕССЕ ПРИВЕДЕНИЯ К ПРИЧАЛЬНОМУ УСТРОЙСТВУ
М.П. Колесников, Л. А. Мартынова, И.В. Пашкевич, П.С. Шелест
Описывается разработанный метод решения задачи позиционирования автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) на финальном этапе приведения к донному причальному устройству (ДПУ) в автоматическом режиме. Метод позволяет обеспечить привидение АНПА к ДПУ с произвольных направлений пространства в горизонтальной плоскости. В основу метода положено комбинирование разностно-дальномерного метода с длинной базой (ДБ), разностно-дальномерного метода с ультракороткой базой (УКБ), а также дальномерного метода на разных этапах причаливания. При разработке метода решена задача применения активных гидроакустических средств в условиях сильного влияния многолучевости в непосредственной близости от ДПУ.
Ключевые слова: автономный подводный необитаемый аппарат, АНПА, система приведения, донное причальное устройство, ДПУ.
В настоящее время существует ряд задач, выполняемых автономным необитаемым подводным аппаратом (АНПА), решение которых предполагает многократное повторение миссий в ограниченной акватории. При этом стоимость межпоходового обслуживания АНПА может составлять существенную часть эксплуатационных расходов и, следовательно, ограничивать частоту его применения.
Одним из способов решения указанной задачи является размещение и обслуживание АНПА на донном причальном устройстве (ДПУ). Кроме исключения из цикла межпоходового обслуживания обеспечивающих судов, ДПУ позволяет также решать две основные задачи: зарядку аккумуляторных батарей и информационный обмен АНПА с пунктом управления (программирование очередной миссии и отчет о её выполнении), что обеспечивает длительное время автономной эксплуатации АНПА.
Для обеспечения базирования АНПА на ДПУ необходимо решить несколько взаимосвязанных технических задач [1], одной из которых является приведение АНПА к ДПУ с целью определения с минимальной погрешностью местоположения аппарата относительно ДПУ в процессе стыковки.
В известных отечественных и зарубежных разработках применяются три основных способа обеспечения позиционирования АНПА в процессе приведения на конечном участке: оптический [2], гидроакустический [3] и электромагнитный [4].
Чаще всего используется оптический способ приведения, но он имеет небольшой радиус действия (10...15 м), и его применение малоэффективно в водной среде с недостаточной оптической прозрачностью.
38
Суть электромагнитного способа заключается в ориентировании АНПА по магнитным силовым линиям источника магнитного поля, расположенного на ДПУ. Основным недостатком этого способа является высокая погрешность - около 20...25 см [4].
Применение гидроакустического способа ограничивается из-за сильного влияния переотражений сигнала от конструктивных элементов АНПА и ДПУ при их непосредственной близости [5].
Следует также отметить, что все рассмотренные способы приведения АНПА к ДПУ применимы только при подходе АНПА с определенного направления и в узком секторе допустимых курсовых углов. Наличие на АНПА подруливающих устройств позволяет рассмотреть вариант приведения АНПА к ДПУ с произвольных направлений, что особенно важно при наличии течений в месте установки ДПУ. В связи с этим задача приведения АНПА к ДПУ с произвольного направления в автоматическом режиме в условиях недостаточной видимости и обеспечения при постановке требуемой точности является наиболее актуальной.
После выполнения миссии АНПА двигается в направлении к ДПУ, постепенно сближаясь с ним. Источниками информации для позиционирования АНПА в процессе движения, кроме собственной инерциальной навигационной системы (ИНС), являются, например, донные маяки - ответчики. При подходе к ДПУ на расстояние, сравнимое с накопленной погрешностью ИНС, что может составлять несколько километров, АНПА включает гидроакустическую навигационную систему с ультракороткой базой (ГАНС УКБ), которая позволяет определить пеленг на ДПУ и дистанцию до него.
В процессе движения в направлении приемоответчика ГАНС УКБ, расположенного на ДПУ, АНПА занимает коридор при расстоянии до дна в диапазоне от нескольких десятков до сотни метров, что обусловлено техническими характеристиками системы гидроакустической приведения (ГАСП).
При уменьшении дистанции между АНПА и ДПУ до нескольких сотен метров становится возможным определение с необходимой точностью не только пеленга на ДПУ, но и угла места на него.
Когда наклонная дальность от АНПА до ДПУ становится меньше порогового значения, АНПА попадает в зону действия ГАСП, причем независимо от направления подхода к ДПУ.
Как уже было отмечено, основными средствами приведения являются средства оптического диапазона. Если ДПУ расположено непосредственно на дне, при необходимости работы мощных подруливающих устройств в процессе стыковки АНПА с ДПУ, видимость в оптическом диапазоне может оказаться недостаточной для эффективной работы. В то же время, как отмечено в [5], в ходе проведенных натурных испытаний макета гидроакустической навигационной системы, обеспечивающей финальную
стадию сближения и стыковки АНПА с ДПУ, был выявлен существенный и принципиальный недостаток такого типа систем: сильное влияние мно-голучевости в непосредственной близости от ДПУ. В связи с этим при создании комплекса привода АНПА к ДПУ излучатели размещаются на ДПУ, а АНПА работает только в пассивном режиме. Причем излучатели на ДПУ имеют коническую диаграмму направленности и расположены так, что исключено попадание конструктивных элементов ДПУ в зону излучения гидроакустических сигналов. Длительность и период излучаемых сигналов ДПУ также выбираются с учетом необходимости исключения влияния переотражений на измерения.
В зоне действия ГАСП АНПА ориентируется в пространстве относительно ДПУ, руководствуясь результатами обработки данных, поступающими от подкильной (в случае вертикальной стыковки) приемной антенны ГАСП. Выполнив соответствующую ориентацию в пространстве, АНПА начинает вертикальный спуск на ДПУ. В процессе спуска производятся разностно-дальномерные измерения методом длинной базы, позволяющие с необходимой точностью определить расстояния от приемных антенн ГАСП АНПА до каждого из излучателей ДПУ, что также позволяет вычислить моменты времени излучения импульсов и, в свою очередь, расстояние между АНПА и ДПУ с погрешностью в единицы сантиметров.
При сближении АНПА и ДПУ на расстояние нескольких метров в зоне видимости каждой из приемных антенн АНПА остается только по одному излучателю, расположенному на ДПУ. Конструкция антенн ГАСП ДПУ позволяет обеспечивать измерение углового положения АНПА вплоть до стыковки, а расстояние между АНПА и ДПУ измеряется по задержке распространения сигнала от излучателя до АНПА. Измерение углов и дальности до момента стыковки обеспечивается также тем обстоятельством, что два излучателя на ДПУ расположены ниже плоскости кильблоков и соосны с центрами приемных антенн АНПА.
Рассмотрим конфигурацию технических средств для случая вертикальной стыковки АНПА среднего или большого класса с ДПУ.
ГАСП АНПА содержит в своем составе две крестообразные пла-нарные гидроакустические приемные антенны. Каждая антенна содержит 5 приемников, четыре из которых расположены в вершинах квадрата, а пятый - в центре. Диаграмма направленности каждого приемника рупорная, с максимумом, направленным перпендикулярно поверхности дна при нулевом крене и дифференте АНПА. Антенны располагаются под килем АНПА в кормовой и носовой частях.
На ДПУ (на несколько десятков сантиметров ниже уровня кильблоков АНПА) размещены два излучателя (1 и 2, рис. 1) с конической (рупорной) диаграммой направленности и с ограниченным углом раскрыва. Еще
два излучателя (3 и 4, рис. 1) имеют диаграмму направленности с максимально возможным углом раскрыва и размещаются на такой высоте, чтобы в зону освещенности не попадали конструкционные элементы ДПУ.
Излучаемые сигналы - тональные, одной частоты с разнесением импульсов по времени таким образом, чтобы по периоду следования однозначно можно было определить номер источника излучения.
Рис. 1. Схема деления на зоны видимости
При выборе частоты сигнала, длительности импульсов и их периода следования учтена сильная реверберация. Указанные параметры также оказывают влияние на погрешность определения угловых координат, что будет показано ниже.
Предложенный комбинированный метод приведения АНПА к ДПУ основан на движении по пеленгу на приводной маяк системы ГАНС, установленной на ДПУ до тех пор, пока в зоне приема антенн ГАСП АНПА не появятся сигналы от излучателя 3 или 4 ГАСП ДПУ (см. рис. 1).
По мере приближения АНПА к ДПУ изменяется видимость излучателей ДПУ приемными антеннами, расположенными в подкильной части АНПА. В связи с этим были выделены три зоны видимости приемниками различных излучателей в процессе стыковки (см. рис. 1):
1) зона 1 - в зоне видимости каждой приемной антенны находятся все 4 излучателя;
2) зона 2 - в зоне видимости каждой приемной антенны находятся 3 излучателя;
3) зона 3 - в зоне видимости каждой приемной антенны находится по одному излучателю.
В соответствии с указанным делением на зоны алгоритм работы ГАСП разделяется на три стадии.
Стадия 1. Все приемники обеих антенн регистрируют излучение от четырех излучателей ГАСП. При этом происходит определение координат АНПА относительно ДПУ с использованием разностно-дальномерного метода с длинной базой, и базу образуют излучатели ГАСП ДПУ. После позиционирования (определения собственных координат относительно ДПУ) АНПА начинает снижение по вертикальной траектории. Во время снижения непрерывно устанавливается местоположение АНПА относительно ДПУ. При отклонении от заданной траектории снижения сообщается соответствующее воздействие двигателям АНПА для возврата на предписанную траекторию.
В процессе приближения к границе зон 1 и 2 по вычисленным расстояниям Щ (от ¿-го приемника до ]-го излучателя) рассчитывается время распространения импульсов т^ по формуле ту = Щ/с, где с - скорость звука в текущих условиях. Затем измеряется время прихода импульсов 1пру в системе времени АНПА, и по ним с учетом вычисленных т^ определяются моменты времени излучения 1излу (в системе времени АНПА) по формуле кшу = - ц. Зная период излучения Т, можно вычислить последующие моменты излучения: tизлij, = + пТ, где п - натуральное.
Таким образом, на стадии 2 можно будет измерять дистанцию до излучателя по времени прихода импульса ^':
Щу с^пру - tизлij ). (1)
При нахождении АНПА в зоне 1, когда каждый приемник получает сигнал ото всех четырех излучателей, расположенных на ДПУ, задача определения координат по разности времени прихода импульсов решается следующим образом.
Определение координаты точки (х, у, 2) при известных координатах излучателей X у, 2) j = 1, 2, 3, 4 и разности расстояний Дг,7 от этой точки излучателя j и излучателя 1 (/ = 2, 3, 4) осуществляется классическим раз-ностно-дальномерным методом.
Решение подобной задачи подробно рассматривалось в работе [6], но не устанавливалась погрешность метода, а лишь проводилось моделирование влияния априорно заданной погрешности на определение положения АНПА.
Для оценки погрешности метода была построена сетка из гипербол, соответствующих разностям Дг,г-, взятым с шагом, равным погрешности. Расчеты проведены при следующих исходных данных: база между приемниками 1 и 2 - 5 м, между 3 и 4 - 3 м. При этом плоскость, на которой расположены приемники 3 и 4, отстоит от плоскости с приемниками 1 и 2 на расстоянии 2,5 м, частота импульсов /=150 кГц. Указанная частота является энергетически квазиоптимальной для дистанции ~ 100 м.
Оценки погрешностей приведены в табл. 1.
Таблица 1
Погрешности измерения координат
Погрешность Дистанция между АНПА и ДПУ
10 м 30 м 100 м
8х 2 см 0,5 м 1,5 м
7 см Нет Нет
Полученная оценка 81 определяет погрешность оценки расстояния между АНПА и ДПУ на стадии 2.
Стадия 2. В зоне видимости приемника остается только 3 излучателя, что не позволяет однозначно определить дистанцию до ДПУ [6]. На этой стадии дальность до излучателей вычисляется по формуле (1), исходя из времени запаздывания принимаемого импульса относительно излученного. Этот метод позволяет оценивать вертикальную координату положения АНПА с погрешностью 81, определенную на стадии 1. Для вычисления с необходимой точностью поперечных координат применяется тот же метод, что и на стадии 1.
Стадия 3. Для определения координат также применяется разност-но-дальномерный метод, но с ультракороткой базой. При этом базу образуют приемники приемной антенны, и разность времени прихода импульса измеряется от единственного оставшегося в зоне видимости излучателя к приемникам.
Пусть имеются три приемника О0, 02, расположенных на одной прямой, расстояние между ними Ь. Пусть на плоскости произвольно выбрана точка, расстояния от которой до приемников обозначены Я1, Я0, Я2 соответственно (рис. 2). Требуется определить координаты этой точки, если известны разности расстояний А1 = Я1 - Я0 и Л2 = Я2 - Я0.
.у
О! Оь 02
-ь\ а / X
- \ н / /Я, / !К; - [у-й2
Рис. 2. Схема, поясняющая использование разностно-дальномерного метода
43
Путем вычислений найдем:
2(д1 + Л2)
а
2^!+Л\-Ь2
(2)
2 Ъ
Поскольку Дх и Д2 однозначно определяют Я0, Яь на плоскости, то в трехмерном пространстве координаты АНПА определяются однозначно.
Для оценки погрешностей измерения координат построено соответствующее семейство гипербол аналогично оценке, используемой на стадии 1, и получены погрешности при аналогичных исходных данных и при расположении приемников антенны по углам и в центре квадрата со стороной 15 см. Результаты оценки погрешностей приведены в табл. 2.
Таблица 2
Координаты Погрешность
8х 0,75 см
5у 0,75 см
82 5 см
Значение погрешности оценки местоположения АНПА зависит также от характеристик гидроакустического сигнала и, в частности, от отношения сигнал/шум на входе приемной антенны.
Для определения влияния отношения сигнал/шум на погрешность оценки горизонтальной координаты вычислим полный дифференциал величины а в выражении (2):
Ч т2 с
Так как параметры ть т2 и с считаются независимыми, то общая
2
формула для квадрата стандартного отклонения а£ будет иметь вид
=
Э а(тът2,с)
Т1
да(тът2,с)
2
да(тът2,с)\ 2
О,
с ■
Так как при обработке используется один и тот же импульсный сигнал, то СКО для ть т2 и примем эквивалентным:
2 2 2 х х2
Тогда
2 2 О,, =Gt
+
д а(хъх2,с)
о
с ■
Квадрат стандартного отклонения для определения времени т при больших отношениях сигнал/шум (д) определяется выражением
Л Т
(Ут =
2-у/кд
Частные производные имеют вид
,2^2
ч 4 В-Тх
Эа(тът2,с) _ _ 1 с2т\ + В2
4 В-т2 '
да(тът2,с) _ CTlT2(T2~Tl)
В(Т1 + Т2)
Рассмотрим случай, когда центральный приёмник находится строго над излучателем, то есть а = 0. Тогда интервалы времени Т1 и х2 эквивалентны и равны т. В этом случае частная производная по скорости равна нулю, что указывает на независимость погрешности определения сдвига а от погрешности измерения скорости звука с. Итоговое выражение для стандартного отклонения, где время задержки выражено через высоту Н, базу В и скорость звука с, будет иметь вид
Ga =°т
л/2
I
Н +В -Н\ + В'
л/2.
•х
Н2+В2 -Н
+ В4
В
л/я2 +В2 -Н
S-^Jnq
b(-J
н2+в2-н
График зависимости оа от высоты Н при различных значениях отношения сигнал/шум q, базы В = 0,075 м и длительности импульса т = 100 мкс представлен на рис. 3.
Для определения оценки СКО параметра а в случае, когда излучатель находится в стороне (а Ф 0), предположим следующее. Пусть угол стандартного отклонения параметра а будет постоянным: аа = const, т.е.
Cjjr = tg{a(7) = const.
Произведём сдвиг параметра а = А, что соответствует углу отклонения (3. Тогда при сохранении стандартного угла отклонения получим два значения разброса:
0 -0 1 + tg2(Ь) 0 -0 1 + 2(Ь)
- 0а--— , 02 -0а--0 '
1+tg(b)-0а 1 - tg(b)-0 Н Н
Максимальное значение будет принимать параметр 02, поэтому
именно его используем для оценки СКО параметра а при отклонениях на
заданный угол.
Рис. 3. Зависимость СКО параметра а от высоты Н над излучателем
при различных уровнях сигнал/шум
Период излучения импульсов всех излучателей ДПУ будем выбирать исходя из следующего условия: при нахождении АНПА на расстоянии 1 м от источника возникают множественные переотражения, затухающие с течением времени. Данные переотражения формируют шумовой фон при приёме основного сигнала. Так как для обеспечения требуемых значений СКО необходим уровень сигнал/шум не менее 25...30 дБ, то период ожидания должен быть не менее такого значения Тож, которое даёт затухание переотраженного сигнала на 30 дБ.
Определим Тож согласно первому условию. Рассмотрим модель, когда сигнал отражается от АНПА, доходит до ДПУ, отражается и снова доходит до АНПА. Будем называть данный процесс циклом переотражения (рис. 4).
Запишем уравнение для определения количества циклов переотражения, обеспечивающих затухание ОЗ дБ:
2-ДР - N - 0З,
потери при распространении за один цикл
где N - искомое количество циклов переотражения.
с\
Излучатель
Рис. 4. Цикл переотражения сигнала при работе на малой дистанции
Потери при распространении будем считать минимальными и зависящими только от коэффициента частотного километрического затухания в=0.03б/-5-.
ПР = 0,036 • /• Я = 0,036 • 1501'5 • 0,001» 0,0661 дБ.
Для обеспечения затухания QЗ = 30 дБ количество переотражений
будет
N=227.
В соответствии с данным количеством циклов получим время ожидания
2•Nз 2•227
Тож =-- =-» 300 мс .
ож с 1500
Так как переотражения на малой дистанции приводят к тому, что отражённый сигнал поступает на вторую приёмную антенну АНПА, то для корректного независимого определения поступающих импульсов излучение 1 и 2 (см. рис. 1) должно быть с интервалом не менее 300 мс. В соответствии с временной диаграммой цикла излучения импульсы отстоят во времени друг от друга на интервалы 1 • At, 2- А? и 3- А?, после чего идёт пауза и цикл повторяется. Импульсы излучения антенн 1 и 2 должны быть крайними в цикле излучения и находиться на временном интервале не менее 300 мс, т.е.
1 •А + 2 • А? + 3 •А = 300мс ^ А? = 300 = 50 мс.
6
Для обеспечения однозначности определения источника излучения необходимо, чтобы цикл излучения во времени был асимметричным. Для этого достаточно после излучения последнего импульса выдержать паузу 4- А1 = 200 мс. Таким образом, полный цикл излучения
Тд = 500 мс .
Таким образом, предложенный комбинированный метод приведения АНПА к ДПУ при полной автономной работе АНПА, состоящей из трёх этапов, которые отличаются параметрами и характеристиками функционирования устройств, обеспечивающих приведение АНПА к ДПУ при
различном взаимном положении АНПА и ДПУ, обеспечивает требуемую точность приведения, а разработанный алгоритм - расчет ошибок приведения на каждом этапе.
Список литературы
1. Донные причальные устройства для автономных необитаемых подводных аппаратов / Г.Ю. Илларионов, А.Ф. Щербатюк, А.А. Кушнерик, А.Г. Квашнин // Двойные технологии. 2011. №1 (54). С. 13-21.
2. Steve Cowen, Susan Briest and James Dombrowski. Underwater docking of autonomous undersea vehicles using optical terminal guidance // OCEANS '97: MTS/IEEE Conference 1997. Vol. 2. P. 1143 - 1147.
3. A Docking System for REMUS, an Autonomous Underwater Vehicle. / Roger Stokey, Michael Purcell, Ned Forrester, Thomas Austin, Rob Goldsbo-rough, Ben Allen, Christopher von Alt. // Oceans Л97: MTS/IEEE Conference. 1997. Vol. 2. P. 1131-1136.
4. Autonomous Underwater Vehicle Homing/Docking via Electromagnetic Guidance / Michael D. Feezor, F. Yates Sorrell, Paul R. Blankinship, and James G. Bellingham // Journal of oceanic engineering. October 2001. Vol. 26. No. 4. P. 515- 521.
5. Носов И.Н. Влияние специфики базирования автономного необитаемого подводного аппарата на подводном носителе на требования к гидроакустическим средствам навигации и связи // Шестая научно-практическая конференция «Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения» 5 - 6 августа 2013 г.: сб. докл. 2013. С. 115-117.
6. Крючков Р.С., Егоров С.А., Кропотов А.Н. Анализ и моделирование алгоритмов гиперболической гидроакустической навигационной системы подводного аппарата // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана». Новосибирск. 2012 г. С.127 - 132.
Колесников Максим Павлович, инж. 1 кат., maxim.p.kolesnikov@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, АО ««Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»,
Мартынова Любовь Александровна, д-р техн. наук, ст. науч. сотр., вед.научн. сотр., martynowa999@bk. ru, Россия, Санкт-Петербург, АО ««Концерн « ЦНИИ « Электроприбор»,
Пашкевич Иван Владимирович, гл. специалист, iv@bk.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО « Концерн « ЦНИИ « Электроприбор»,
Шелест Павел Сергеевич, инж., Shel-ne@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО « Концерн « ЦНИИ « Электроприбор»
METHOD OF AUVPOSITIONING WHILE HOMING TO THE DOCKING STATION M.P.Kolesnikov, L.A.Martynowa, I.V.Pashkevich, P.S.Shelest
The paper describes a method developed for solving the problem of positioning autonomous unmanned vehicle (A UV) in the final stage homing to the Docking Station in automatic mode. Method is characterized by ability of homing A UV to the Docking Station from any horizontal direction. The method is based on a combination of range-difference based localization method with a long base length (LBL) and range-difference method with a ultra short base length (USBL) as well as the ranging method at different stages of docking. In developing the method to solve the problem of application of active sonar in a strong multipath effects in the close range of the Docking Station.
Key words: Autonomous Underwater Unmanned Vehicles, AUV, homing, docking, Docking Station.
Kolesnikov Maxim Pavlovich, engineer, maxim.p. kolesnikov@,gmail. com, JSC CSRI Elektropribor,
Martynova, Liubov Alexandrovna, doctor of technical scienses, senior researcher, martynowa999@bk. ru, Russia, Saint-Petersburg, JSC CSRI Elektropribor,
Pashkevich Ivan Vladimirovich, chief specialist, iv@bk.ru, Russia, Saint-Petersburg, JSC CSRI Elektropribor,
Shelest Pavel Sergeevich, engineer, shel-neamail. ru, Russia, Saint-Petersburg, JSC CSRI Elektropribor
УДК 531.383.11
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И СТРУКТУРА БОРТОВОЙ БАЗЫ ДАННЫХ О РЕЛЬЕФЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Г.И. Джанджгава, Т.В.Сазонова, М.С. Шелагурова
Рассмотрены методы формирования и структура бортовой базы данных о рельефе земной поверхности, используемой для обеспечения решения различных авиационных приложений, в том числе экстремальной коррекции навигационных параметров, маловысотного полета, предупреждения столкновения с Землей и индикации картографической информации в режимах 3D и с «отмывкой» рельефа. Предлагаемые авторами методы и алгоритмы формирования матриц рельефа местности (МРМ) основаны на обработке файлов формата SXFслоев изолиний рельефа, площадных, линейных и точечных объектов, имеющих семантику со значением абсолютной высоты.
Ключевые слова: матрица рельефа местности, бортовой формат, методы интерполяции рельефа, полярные и неполярные зоны Земли, полярная азимутальная эквидистантная проекция, псевдорельеф, отмывка рельефа.
Бортовые комплексы современных воздушных судов (ВС) обеспечивают в настоящее время решение следующих сложных авиационных приложений, использующих бортовую базу данных о рельефе земной поверхности (РЗП):
