АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.21
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАРИАЦИИ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУР НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ДИСТАНЦИЙ ДО ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
© 2014 г. Ю. Н. Моргунов, А. А. Голов, М. С. Лебедев
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Балтийская 43 E-mail: golov_alexander@inbox.ru Поступила в редакцию 20.02.2013 г.
Приводятся результаты экспериментальной апробации акустического метода для повышения точности систем позиционирования подводных объектов, основанного на применении данных изменения поля температуры на акватории функционирования подводного объекта. Проведенные в сентябре 2011 г. в бухте Витязь залива Посьета измерения показали, что применение метода позволяет в 2—3 раза снизить ошибку позиционирования, связанную с изменением условий распространения звука.
Ключевые слова: автономные подводные аппараты, ошибки позиционирования, акустическая томография, модельный эксперимент.
DOI: 10.7868/S0320791913060154
Значительный прогресс в развитии морской робототехники инициировал исследования, направленные на разработку технических решений для перспективных навигационных систем автономных подводных аппаратов (АПА) дальнего радиуса действия. Существенные ошибки при решении задач акустической навигации могут быть вызваны вариациями поля скорости звука, что приводит к ошибке измерения расстояния до АПА и его локализации.
Как правило, навигационные системы с длинной базой хорошо работают на больших глубинах и с разнесением маяков порядка нескольких километров. С увеличением расстояния и уменьшением глубины увеличивается частота ошибочных значений положения АПА. Даже если скорость звука известна в начале работы АПА, условия распространения звука могут измениться за время эксперимента. В работе [1] разработана методика для дальней навигации в условиях изменчивых акустических сред. В основе подхода лежит дополнительная информация, полученная инверсией времен многолучевых приходов, что позволяет восстановить пространственно-временные вариации скорости звука и тем самым повысить точность оценки положения АПА. Эта методика наиболее актуальна для Арктики, где конфигурация профиля скорости звука приводит к вертикальному преломлению лучей при распространении [2]. Акустическая томография дает возможность использовать информацию о временах распространения между одним или более АПА и маяками для расчета вертикального профиля скорости звука, а также для получения другой информации о процессах в различных местах трасс
между источником и приемниками звука [3]. Целью работы является обсуждение изложенных методов применительно к их адаптации к условиям мелководных акваторий Японского моря.
Результаты исследований авторов показали высокую эффективность применения в задачах акустической дальнометрии и навигации низкочастотных псевдослучайных сигналов [4—7]. На трассах протяженностью от десятков до сотен километров экспериментально получены точности измерения расстояния в сотые процента. Получение столь высоких точностей стало возможным при корректном учете изменяющихся во времени и пространстве полей температур (скоростей звука) при постобработке результатов измерений на основе гидрологических данных акваторий. Тогда же была поставлена задача разработать метод для обеспечения систем акустического позиционирования (САП) данными об изменении полей скоростей звука в реальном времени. Для этого было принято решение исследовать возможность включения технических средств и методов акустической томографии температурных полей в системы навигационного обеспечения АПА [8]. При этом предоставляется возможность использовать источники навигационных сигналов в томографических схемах для зондирования акваторий, в которых работают АПА. Важным обстоятельством является и то, что для мониторинга изменчивости поля скорости звука с применением методов томографии могут быть использованы те же псевдослучайные сигналы, что и для САП. Остается лишь оснастить район функционирования АПА опорными, заякоренными или дрейфующими приемными системами с передачей при-
42.605
42.600
42.595
42.590
42.585
42.580
0 131.150 131.155 131.160 131.165 131.170 131.175 131.180 131.185 Рис. 1. Схема эксперимента: расположение приемников, излучателей и акустических трасс.
нятых навигационных сигналов и координат с GPS (для дрейфующего варианта) по радиоканалу на береговой пост или на обеспечивающее судно. В основу предлагаемого метода положено получение импульсного отклика каналов распространения между источниками и приемными системами, измерение времен пробега первых импульсов, преодолевших заданный порог превышения над помехой, и расчет скоростей звука при известных расстояниях или расстояний при известных скоростях звука. В начале работы АПА, после погружения на заданную глубину, измеряется и вносится в расчетный блок АПА эффективная скорость звука Сэф по измеренным временам и расстоянию, определенному по GPS. Место постановки опорного гидрофона выбирается так, чтобы Сэф на этот момент времени была равна измеренной на АПА. При изменении температурного режима на акватории возникает ошибка при расчете расстояний до опорного гидрофона, позволяющая определить значение измененной Сэф. Если опорные приемные системы разместить таким образом, что изменения температурного поля наступают приблизительно одновременно на трассах, соединяющих источники с приемной системой АПА и одной из опорных систем, то эти ошибки могут быть отнесены к текущим координатам АПА и скорректированы. Для этого возможны два варианта: передача измененной Сэф по гидроакустическому каналу в расчетный блок АПА или корректировка начального времени посылок навигационных сигналов.
Для апробации разработанного метода в сентябре 2011 года в бухте Витязь залива Посьета Японского моря был проведен эксперимент с использованием мобильных систем для исследований в области акустической навигации. Подробное описание их технических характеристик приведено в работах [9—11]. В качестве источников сигналов в САП применялись два пьезокерамических излучателя S1 и S2, установленных в одном метре от дна на глубинах 9 и 10 м соответственно (рис. 1). Они ежеминутно излучали сложные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей с несущей частотой 2000 Гц. На яхте, дрейфующей вокруг точки постановки на якорь, размещался имитатор приемной системы (ИПС) АПА (рис. 1, Т. 1). Он состоял из гидрофона, опускаемого с борта на заданную глубину, системы GPS и радиобуя для ретрансляции принятых навигационных сигналов и координат с GPS на береговой пост. Принятые гидрофоном сигналы сворачивались с репликой излученных, что позволило получить импульсные характеристики волноводов на соответствующих акустических трассах и выделить первые импульсы от каждого источника, преодолевшие заданный порог превышения над помехой. По измеренным временам распространения импульсов от навигационных источников и расстояниям от них до ИПС (по данным с GPS) в начале эксперимента были рассчитаны Сэф на обеих трассах, которые в дальнейшем при дрейфе ИПС использовались для расчета расстояний. Они оказались одинаковыми для данного момента времени и составили 1512 м/с. Далее,
0.90 |
«
и
я
о Я
се &
о о
р
с
о св
р
« <о
р В
1
0.88
0.86 01:17
10
0
Я
св
ю 1и и
О -20
-30
«
и
я
о Я
се
р
Н
0.86
я
о св
р
« <о
р В
0.84 01:17
03:17
01:17 03:17
о 0.88
03:17
ЛЯРт
I "Л1,
7ЯШШШ
1М«М1М1
(а)
05:17
07:17 09:17 11:17 Время чч:мм
13:17
15:17
17:59
/
/
3 N ~ к -
чу
2
(б)
1
05:17 07:17 09:17 11:17 Время чч:мм
13:17
15:17
17:59
■НЯШ! ^М^ШлШ^Н/^БИ 'тмг ЛгШ'ШГ ИРШЧЯРЩташЩ |( щ в9
^ДЯ щн I лШ,^.¿^х1,лш1 А1, й 1,1, * ЩШш гМДР^УЖР» М'ж шШ гМНЙШ
ц,/^.; .........
(в)
05:17
07:17
09:17
11:17
13:17
15:17
17:59
10 5 0
2 -5
а
б
а -15
О -20
-25
-30
-35 01
3 /1
- ^
\1 —»4 / 1
2
1111 1 1 1 1
(г)
17 03:17 05:17 07:17 09:17 11:17
Время чч:мм
13:17
15:17
17:59
Рис. 2. (а) Импульсная характеристика волновода на трассе 81-Т2; (б) временная зависимость ошибки определения дистанции между излучателем 81 и Т. 1, 2; (в) импульсная характеристика волновода на трассе 82-Т2; (г) временная зависимость ошибки определения дистанций между излучателем 82 и Т. 1, 2.
при перемещении ИПС относительно якоря ежесекундно фиксировались его координаты по GPS и рассчитывались расстояния до источников; ежеминутно вычислялись расстояния до источников по акустическим данным и определялись ошибки измерений по разности расстояний, рассчитанных по GPS (они взяты за эталон) и по данным с САП (рис. 2б, 2г, линия 1).
В Т. 2, расположенной в одном метре от дна (глубина 18 м), был установлен опорный гидрофон (глубина гидрофона ИПС также составляла 18 м) на расстоянии 1313 м от точки S1 и 1276 м от точки S2. Принятые сигналы ретранслировались по радиоканалу на береговой пост, где также сворачивались с репликой излученных. Импульсные характеристики волноводов на соответствующих акустических трассах выводились на монитор оператора (рис. 2а, 2в). По временам пробега первых импульсов, преодолевших заданный порог превышения над помехой, рассчитывались расстояния между источниками и опорным гидрофоном с использованием значения Сэф = 1512 м/с. Разность между полученными значениями и реальными расстояниями до опорного гидрофона также выводится на монитор (рис. 2б, 2г, линия 2). Таким образом, оператор получает информацию об ошибках измерения расстояний от источников, которые связаны с изменчивостью Сэф. На трассе S1—Т.2, совпадающей приблизительно с направлением север-юг, до 9 ч 17 мин ошибка составляла несколько метров (в пределах точности GPS), а затем увеличилась до 22 м, т.е. Сэф уменьшается до 1486 м/с. На трассе S2—Т.2, отвечающей направлению восток-запад, до 10 ч 17 мин ошибка также была несколько метров, а затем возросла до 12 м, что соответствует уменьшению Сэф до значения 1498 м/с. Анализ зависимостей, отображающих ошибки на ИПС и опорном гидрофоне, показывает, что они имеют один порядок величин по направлениям север-юг и восток-запад и коррелирую
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.