CC BY
67
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
УДК 534.21
МОБИЛЬНЫИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИМ НАВИГАЦИОННЫМ КОМПЛЕКС
А.Е. Николаев, А.А. Голов
MOBILE HYDROACOUSTIC NAVIGATION COMPLEX
А.Е. Nikolaev, A.A Golov
Аннотация. В статье представлено описание работы мобильного гидроакустического навигационного комплекса, созданного отделом технических средств исследования океана Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН для проведения исследований в области усовершенствования средств и методов позиционирования подводных объектов. В бухте Витязь залива Посьета, Японского моря, комплекс показал высокую точность определения координат подводного объекта (разность с координатами GPS составляет 1-3 метров) в том числе и в сложной гидрологической обстановке при существенной изменчивости вертикального распределения скорости звука.
Ключевые слова: АНПА; подводное позиционирование; сложные сигналы; корреляционная обработка.
Abstract. The paper presents the description of mobile hydroacoustic navigation system developed by the department of technical research of ocean Ilyichev Pacific Oceanological Institute Russian Academy of Sciences to conduct research to improve the means and methods of positioning of underwater objects. In the Vityaz Bay of Possiet Bay the sea of Japan the complex showed a high accuracy of determination of coordinates of underwater object (the difference with GPS coordinates is 1-3 meters) including in difficult hydrological conditions with significant variability of the vertical distribution sound velocity.
Keywords: autonomous underwater apparatus; underwater positioning; complex signals; correlation processing.
Гидроакустические навигационные системы с длинной базой (ГАНС ДБ) в общем случае используют несколько маяков с установленными на них приемопередатчиками. Абонент посылает акустический сигнал, который каждый маяк ретранслирует сразу после приема [1-2]. Достоинствами данных систем является высокая точность определения координат, неограниченная глубина использования, большой радиус действия. В качестве недостатка стоит отметить сложность установки (необходимость точной выставки маяков на морском дне), в результате значительно снижается их мобильность и подъем их по окончанию работ (нужно судно с подъемным устройством).
Для проведения исследований в области усовершенствования средств и методов позиционирования подводных объектов отделом технических средств исследования океана ТОИ ДВО РАН был создан мобильный гидроакустический навигационный комплекс.
Описание комплекса
Одними из главных плюсов данного комплекса является простота перевозки и монтажа на морском дне и возможность быстрого перестраивания излучаемой навигационной посылки. На рис. 1 представлена функциональная схема автономной излучающей системы (АИС).
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, №1
Аккамулятор 12В (150 Ач)
Пьезокёрамический излучатель
21
Рисунок 1 - Функциональная схема АИС: СЕВ - система единого времени, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, T -трансформатор, L - согласующая индуктивность, ИП - источник питания
АИС способен излучать сложные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей в диапазоне частот 500-12000 Гц и длинами последовательностей 63256 символа с запрограммированным периодом (30 секунд, 1 минута и т.д.) [4]. В качестве эталонной частоты использовался генератор ГК103-ТС-М (относительная нестабильность 108). Основным модулем, определяющим логику работы АИС, является плата на основе FPGA Cyclone II фирмы Altera. Аккумуляторные батареи напряжением 12 В осуществляли электропитание АИС.
Временная синхронизация обеспечивается двумя способами:
1. С помощью эталонной системы единого времени (СЕВ).
2. Установкой гермоконтейнера на суше и вынос излучателя на кабеле на необходимую изобату.
Временная синхронизация обеспечивается системой GPS, данные об абсолютном времени извлекаются из бинарного протокола f SiRF. Плата, на основе FPGA Cyclone II, использует эти данные для ежеминутной подстройки временной шкалы.
Комплекс предназначен для обеспечения информацией подводных объектов о собственном местоположении. Принцип работы комплекса основывается на периодическом излучении навигационных посылок двумя АИС. Принятые подводным объектом посылки подаются на блоки корреляционных приемников. На первом производится свертка с репликой излученного сигнала и измерение импульсного отклика на трассе источник-приемник. На втором, для измерения уровня корреляционного шума и определения порога обнаружения сигнал сворачивается с маской ортогональной М-последовательности. Значение порога принято равным 2. То есть в момент превышения сигналом первого канала значения в два раза большего уровня корреляционного шума он считается зарегистрированным. По времени регистрации сигнала и заранее заданным координатам излучателей определяется расстояние, пройденное акустической волной от каждого
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
источника до объекта навигации. Эти данные методом триангуляции преобразуются в собственные координаты подводного объекта. Приведена структурная схема корреляционного приемника (рис. 2).
Рисунок 2 - Структурная схема корреляционного приемника: ИП - источник питания, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, СЕВ - система единого времени, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
Корреляционный приёмник разработан на основе платы FPGA Starter Board Cyclone II фирмы Altera. Логические модули программно реализованы в микроконтроллере. С помощью логического устройства происходит управление всеми программными модулями и их первоначальная настройка. Конечный вид выходного сигнала формирует кодирующее устройство. Затем результат вычисления корреляционных функций проходит усреднение и нормировку. После сигнал попадает в ЦАП. Для проведения тестирования комплекса добавлен дополнительный интерфейс, подающий сигнал на один из stereo каналов. На второй канал ежеминутно подается метка СЕВ с длительностью импульса порядка 1 мс.
Описание эксперимента
В бухте Витязь залива Посьета, Японского моря, был проведен эксперимент по оценке точностных характеристик комплекса. В качестве объекта навигации применялся свешанный с борта судна гидроакустический буй (РГБ). Судно стояло на якоре и смещалось под действием волнения на длину якорь-цепи. Принятые РГБ сигналы по радиоканалу передавались на обработку, где пройдя демодуляцию, подавались на блоки корреляционных приёмников. Выходные данные коррелятора сохранялись для дальнейшей обработки с целью получения сравнения полученных акустическим методом координат объекта с координатами, полученными при помощи GPS приёмника, установленного на РГБ.
Гидрологическая обстановка в период проведения измерений характеризовалась существенной изменчивостью вертикального распределения скорости звука из-за прохождения придонных холодных вод во время прилива. Во время отлива (00.00 - 07.00) наблюдается постоянство скорости звука (1512 м/с) до глубин 20-25 метров. При приливе
http://vestnik-nauki.ru/
Вестник науки и образования Северо-Запада России
2015, Т. 1, № 1
(07.00 - 18.00) скорость звука с глубины 10 метров до дна уменьшается с 1512 м/с до 1486 м/с.[5]
Позиционирование объекта средством GPS и САП относительно координаты 42.5955 N 131.1688 Е 05:34 ■ 05:54
¡50
а
v
о
2 40
* GPS
* САП
%
р
20 40
метры
¡50
а
v
о
£40
* GPS
Позиционирование объекта средствами GPS и САП относительно координаты 42.5955 N 131.1688 Е 04:42 -05:11
Чч
Рисунок 3 - Фрагмент результатов позиционирования в период отлива
На данном фрагменте приведены данные акустических расчетов координат (красные точки) и с GPS (синие точки) в декартовой системе относительно точки с координатами 131.1688 Е и 42.5955 N. При этом ось ординат по направлению совпадает с направлением север-юг. Можно отметить, что в момент отлива данные с САП и GPS отличаются незначительно (рис. 3) [5].
Вывод
Высокая точность определения координат подводного объекта (разность с координатами GPS 1-3 метра) позволяет применять описанные аппаратные и программные средства для тестирования новых подводных технологий.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гидроакустические навигационные средства / В.И. Бородин, Г.Е. Смирнов, H.A. Толстякова, Г.В. Яковлев. Л.: Судостроение, 1983. 262 с.
2. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Перевод с англ. В. К. Комлева. Л.: Судостроение, 1989. 316 с.
3. Безответных В.В., Буренин А.В., Войтенко Е.А. и др. Мобильный навигационный комплекс для обеспечения миссий подводных аппаратов в прибрежных акваториях // Приборы и техника эксперимента, 2011. № 6. С. 89-94.
4. Morgunov Yu.N., Bezotvetnykh V.V., Golov A.A. etc. Experimental Testing of a Hardware and Software Complex for Remote Measurement of Current Velocities and Temperatures in Shallow Sea Water Areas // Acoustical physics, 2014. V. 60. № 6. Р. 623-632.
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №1
5. Morgunov Yu.N., Golov A.A, Lebedev M.S. A Study of How Temperature Field Variations Affect Accuracy in Measuring the Distance to Underwater Object / // Acoustical physics, 2013. V. 60. № 1. Р. 56-64.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Николаев Александр Евгеньевич ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет», г. Владивосток, Россия, магистр, кафедра Электроники и средств связи E-mail: aksolotlll@gmail.com.
Nikolaev Alexander Evgen'evich FSAEI HPE «Far Eastern Federal University», Vladivostok, Russia, master, the Department of Electronics and communication
E-mail: aksolotlll@gmail.com.
Голов Александр Александрович Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева, ДВО РАН, кандидат технических наук, старший научный сотрудник E-mail: golovalexander@inbox.ru.
Golov Alexander Alexandrovich Ilyichev Pacific Oceanological Institute, Far East Branch, Russian Academy of Sciences, candidate technical sciences, E-mail: golovalexander@inbox.ru.
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 690025,Приморский край, Владивосток, 2-ая Линейная 7 В, к. 2. Николаев А.Е.
8(902)05-90-357
