Разработка метода повышения точности позиционирования подводных объектов

Голов, Александр Александрович

Разработка метода повышения точности позиционирования подводных объектов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Голов, Александр Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Владивосток МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка метода повышения точности позиционирования подводных объектов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка метода повышения точности позиционирования подводных объектов"

На правах рукописи

Голов Александр Александрович

Разработка метода повышения точности позиционирования подводных объектов

01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

5 ДЕК 2013

Владивосток - 2013

005542749

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, старший научный сотрудник

Моргунов Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук

Короченцев Владимир Иванович

Кандидат технических наук

Павликов Сергей Николаевич

Ведущая организация: Институт проблем морских технологий

Дальневосточного отделения Российской Академии Наук

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 11-00 на заседании диссертационного совета ДЦ005.017.01при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук по адресу: г. Владивосток, ул. Балтийская 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук

Автореферат разослан 24 ноября 2013 г.

Ученный секретарь // Доктор технических наук

Диссертационного совета Г У Коренбаум В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Активное освоение и использование биологических, минеральных и технологических ресурсов морей и океанов, прибрежного шельфа, бухт, заливов и проливов, требует создания специфических робототехнических систем и комплексов. В настоящее время активно внедряется в практику океанологических исследований и оборонных программ концепция создания сетецентрических систем освещения подводной обстановки. Ключевой задачей при разработке подобных систем является обеспечение сети подводного наблюдения, состоящей из подводных автономных обсерваторий и платформ, буйковых станций и необитаемых аппаратов различного назначения и т.п. элементами позиционирования и связи между собой и с центром анализа на расстояниях в десятки и сотни километров. Современные работы отечественных и зарубежных ученых направлены на совершенствование функциональных характеристик (точность позиционирования, дальность действия и т.д.) автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА). Важное значение в этих работах уделяется исследованиям влияния динамики и структуры водных масс на эффективное решение навигационных задач.

Предложенный в защищаемой работе метод обоснован многочисленными экспериментальными данными и позволяет внести определенный вклад в решение задачи повышения точности позиционирования путем включения в навигационные комплексы АНПА методов и средств акустической томографии морской среды.

Цель работы состоит в разработке и экспериментальной апробации метода повышения точности позиционирования подводных объектов (ПО) с применением систем акустического мониторинга изменчивости морской среды.

Задачи:

1. Исследование путей повышения точности позиционирования ПО на основе акустического мониторинга среды в районе выполнения работ.

2. Разработка методического и технического обеспечения для экспериментальной апробации защищаемого в работе метода.

3. Разработка алгоритмов и программ для решения задачи включения методов акустической томографии морской среды в работу систем акустического позиционирования для повышения их точности.

4. Экспериментальная апробация разработанного метода в условиях мелкого моря в Корейском проливе и в заливе Посьета Японского моря.

Научная новизна Работа содержит новые научные результаты по разработке и апробации в натурных условиях метода повышения точности позиционирования подводных объектов. Его новизна подтверждена патентом РФ на изобретение №2469346. Новые результаты получены при тестировании мелководной (менее 10 метров) акватории в Корейском проливе у острова Норёк. Экспериментально было показано, что на таких глубинах точность позиционирования с использованием предлагаемого метода достигает десятых долей процента от расстояния при рабочей частоте навигационных источников 2000 Гц.

Научная достоверность результатов основана на обширном экспериментальном материале, собранном на протяжении 3-х лет в четырёх береговых экспедициях.

Достоверность полученных данных обусловлена применением апробированных методик измерений, тщательной калибровкой приемных и излучающих систем, повторяемостью результатов многократных экспериментов и согласованностью экспериментальных и теоретических оценок.

Практическая значимость диссертации определяется получением методических и технических решений для повышения эффективности навигационных систем при их функционировании в сложных гидрологических условиях, связанных с существенными изменениями скорости звука во времени и пространстве. Результаты акустической аттестации мелководной акватории в Корейском проливе были внедрены в Институте науки и технологий (г. Кванджу, республика Корея) при выполнении контрактных работ.

Личный вклад автора. Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате сбора и обработки данных по результатам экспериментов и исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН. Лично автором выполнялась разработка алгоритмов и программ для обработки полученных в результате экспериментов данных. Обзор литературных источников в области гидроакустической навигации выполнен автором. Основной эксперимент, обработка и анализ результатов, подтверждающих защищаемый метод, выполнены при решающем вкладе автора.

На защиту выносятся:

1. Разработанные и экспериментально апробированные методические и технические решения по увеличению точности позиционирования систем гидроакустической навигации.

2. Результаты акустической аттестации мелководной (с глубинами менее 10 метров) акватории в Корейском проливе Японского моря применительно к задачам подводной навигации.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на пятой конференции молодых учёных «Океанологические исследования» (Владивосток, 2011), Всероссийской конференции «Физика геосфер» (Владивосток, 2011), Всероссийской научно-технической конференции ТПМО 2011, (Владивосток, 2011), International Joint Workshop on MT-IT Research Collaboration Center (Владивосток, 2012), Acoustics 2012 (Hong Kong, 2012), Всероссийской научно-технической конференции ТПМО 2013, (Владивосток, 2013).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в тринадцати работах, в том числе в пяти статьях в журналах, включенных в перечень периодических изданий, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. В рамках диссертационной работы получен один патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, изложенных на 108 страницах, содержит 46 рисунков и список литературы из 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулирована тема диссертации, ее цели и задачи, обоснована ее актуальность, научная новизна, достоверность выводов и практическая значимость.

Глава 1. Аналитический обзор теории и практики акустического зондирования морской среды применительно к задачам навигации необитаемых подводных аппаратов. Постановка

задач

В данной главе приведен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных специалистов, касающихся вопросов применения акустических методов для мониторинга гидрофизических процессов. Дается аналитический обзор известных методов акустического зондирования применительно к задачам акустической томографии и навигации. Приведен обзор существующих вариантов реализации гидроакустических навигационных систем и анализ их достоинств и недостатков. Отмечены проблемы дальнейшего совершенствования систем акустического позиционирования (САП). В заключение главы конкретизированы задачи исследования возможности и эффективности применения акустического мониторинга изменчивости гидрологических параметров морской среды для повышения точности САП.

Глава 2. Описание методов и технических средств используемых при решении поставленных задач

2.1 Метод повышения точности позиционирования подводных объектов. В

данном разделе на примере функционирования навигационного комплекса, состоящего из двух источников сигналов, одного АНПА и одного "опорного" гидрофона рассмотрены основные технические и методические особенности защищаемых разработок.

Источники навигационных сигналов устанавливаются вблизи дна на небольшом (сотни метров) удалении от береговой черты (S1,S2 рисунок 1), что обеспечивает простоту их установки и возможность отслеживания их состояния на случай проявления вандальных действий посторонних лиц. Для проверки защищаемого метода на акватории функционирования АНПА устанавливаются "опорные", заякоренные или дрейфующие, приемные системы (Т1, рисунок 1) с передачей принятых навигационных сигналов и координат GPS (для дрейфующего варианта) по радиоканалу на береговой пост или на обеспечивающее судно (рисунок 1). Приемные гидрофоны размещаются на глубине функционирования АНПА. Количество приемных и излучающих систем и их расположение определяется индивидуально для каждой акватории.

импульсных сигналов

Применение широкополосных 'льсных псевдослучайных

типа

М-

последовательностеи позволяет

получать импульсные характеристики

позволяет

волноводов,

между

корреспондирующими

точками

Рисунок 1 - Схема размещения элементов навигационного комплекса.

навигационных схем для выделения и идентификации характерных

приходов акустической энергии по лучевым траекториям с

возможностью расчета их длины. На выходе корреляционного приёмника АНПА выделяются импульсы от

навигационных

источников,

превышающие заданный порог и определяются времена их распространения. Затем, значения времен умножаются на эффективную скорость звука (определяется в начале миссии), вычисляются расстояния от каждого источника до АНПА (Я1, Ы2 рисунок 1) и его координаты, которые сравниваются с заданными координатами АНПА на данный момент и, в случае разницы, превышающей допустимые значения, принимается решение о коррекции курса.

Эффективная скорость звука на трассах, соединяющих источники и АНПА, определяется в начале миссии. Координаты точки постановки фиксируются спутниковой системой навигации и определяются расстояния от полученной точки до каждого из источников (лЖ!,(0),/^га2(0))- Источники излучают посылку, по временам прохождения (,,(0) и ,2(0)) которой расстояний определяются эффективные

скорости звука на трассах, как: 0)/г,(0) и С2 = ^га2(0)/г2(0). В дальнейшем, при

движении АНПА, текущие расстояния до источников рассчитываются по формулам: и =С, ■(,(<) = /«=С2-/2(0> гДе * _ номер навигационной посылки.

С выхода коррелятора на береговом посту выделяются импульсные характеристики волноводов между источниками и "опорными" приемными системами и выводятся на дисплей оператора и в программный блок для проведения расчетов, описанных выше для АНПА. При значительном изменении температурного режима на акватории на дисплее оператора будет зафиксировано изменение временной структуры импульсной характеристики, которое опытным оператором может быть качественно квалифицировано как, например, приливный фронт или внутренние волны. Изменения температурного фона на акустических трассах приведет к изменениям скорости звука и, следовательно, к изменениям рассчитанных расстояний от источников навигационных сигналов до "опорной" приемной системы (1Ы, 1*^2, рисунок 1), т.е. к ошибкам измерения координат в данном месте и в данное время. При правильном размещении "опорных" приемных систем относительно движущегося АНПА, при котором

изменения температурного фона наступают одновременно, эти ошибки могут быть отнесены к текущим координатам АНПА и скорректированы. Для этого возможны два варианта: передача измененной скорости звука по гидроакустическому каналу в расчетный блок АНПА или корректировка начального времени посылок навигационных сигналов.

Рисунок 2 иллюстрирует типичное изменение амплитудно-временной структуры импульсного отклика каналов распространения звука на акустических трассах, соединяющих источники с опорной приемной системой, при заходе холодных вод из глубокого моря на шельф (момент времени tel-te3, рисунок 2). Изменения скорости звука в придонном слое, за счёт увеличения времени распространения (dt рисунок 2), при этом могут достигать 10 м/с и более, но, при допущении аналогичных изменений на приемной системе АНПА, могут быть успешно скорректированы. В третьей главе работы приведены результаты модельного эксперимента, проведенного в бухте Витязь, которые демонстрируют эффективность защищаемого метода именно для таких условий.

Для обеспечения точности определения момента излучения навигационной посылки все акустические приемники и передатчики снабжены системой единого времени (СЕВ), функция которой заключается в обеспечении одинакового счета времени на таймерах стационарных и дрейфующих элементов навигационного комплекса. СЕВ раз в минуту генерирует импульс, являющийся своеобразной синхронизирующей меткой времени, которая служит сигналом, определяющим момент излучения посылки и, следовательно, меткой отчёта времени распространения акустического импульса от стационарных источников до объекта позиционирования. Система единого времени изготовлена на базе термостабилизированных генераторов и имеет высокую относительную точность счета времени (не менее 1 (Г8 с).

Если рассматривать работу систем позиционирования на дистанциях в сотни километров, то можно привести пример эксперимента (Безответных В.В., Буренин A.B. и др., 2009), в котором импульсные сигналы распространяются из шельфа в глубокое море на расстояние около 200 миль. В данной работе производилась оценка точности измерения дистанции между источником и приемником по измеренному времени распространения в подводном звуковом канале, скорость звука в котором менялась в пределах 1-1,5 м/с. Было показано, что ошибки измерения расстояния уменьшались, если учитывать более теплые воды на шельфовом участке трассы. Для реализации защищаемого метода в подобных условиях необходимо устанавливать опорную приемную систему на свале шельфа и осуществлять мониторинг изменений скорости звука на шельфовой части акустических трасс. Тогда эффективная скорость в канале

Время ж'першеита

Рисунок 2 - Изменение импульсной характеристики на стационарной трассе при заходе холодных вод.

распространения будет определяться как сумма произведений эффективных скоростей звука на каждом из участков (шельф, глубокое море) на отношение длины соответствующего участка ко всей трассе.

2.2 Программное обеспечение и методы обработки экспериментальных данных. В этом и последующих разделах работы обсуждаются технические и программные решения, позволяющие реализовать защищаемый метод, а также результаты его апробации в натурных условиях. Для проведения многократных экспериментов вместо АНПА применялся макет - имитатор, представляющий собой приемную дрейфующую систему с радиобуем на поверхности, гидрофон которой имитирует приемную систему АНПА и может быть размещен на необходимой глубине. Сигналы с гидрофона и системы GPS, встроенной в радиобуе, по радиоканалу передавались в береговой центр, где аппаратно и программно реализованы имитатор бортовой аппаратуры АНПА и система отображения информации.

Для успешной апробации метода перед автором была поставлена задача по разработке программного комплекса для решения задачи позиционирования АНПА в постобработке, по записанным файлам, содержащим импульсные характеристики каналов. Дополнительными функциями комплекса должны быть возможности сравнительного анализа точности координат имитатора АНПА, сохранение результатов для последующего анализа и гибкая система расчёта координат, позволяющая вносить изменения в калькуляции. Комплекс был реализован в программной среде MATLAB, позволяющей обрабатывать большие массивы данных. Ключевым элементом работы комплекса является сравнение результатов позиционирования объекта навигации методами спутниковой (GPS) и акустической обсервации. Координаты GPS интегрируются в среду MATLAB при помощи специального алгоритма, извлекающего данные о позиционировании из протокола GPS-приёмника. В акустическом методе местоположение объекта определяется как пересечение окружностей, с центрами, расположенными в точках установки стационарных излучателей, и радиусами, рассчитанными как произведение времен прохождения акустической волной расстояния от источников сигналов до приёмной системы имитатора АНПА на эффективную

Коротко, работу комплекса можно описать, как взаимодействие трёх отдельных программных алгоритмов, схема взаимодействия которых представлена на рисунке 3. Алгоритм save_const был разработан для упрощения и ускорения работы с большими массивами данных. Конечным результатом работы алгоритма является файл save.mat, содержащий массивы данных, использующиеся в последующих расчётах, алгоритмами time_shifter и pos-analysis. В массивах содержатся:

координаты стационарных источников и приёмников.

скорость звука на трассе.

Рисунок 3 - Схема взаимодействия программных алгоритмов комплекса.

а) данные, переведённые из GPS лога с отслеживаемого объекта в форму матрицы (долгота, широта, время измерения).

б) рассчитанные по данным GPS лога дистанции от стационарных источников до дрейфующего АНПА.

Алгоритм time_shifter производит расчёт эффективных скоростей звука на трассах.

Алгоритм Pos_analysis производит сравнение определенных дальностей (R1 и R2 рисунок 1) и координат имитатора АНПА с данными полученными с GPS. Производит сохранение полученных результатов в файл, а также их графическое отображение.

2.3 Излучающие системы. Для обеспечения возможности реализации экспериментов по обсервации дрейфа имитатора АНПА акустическим методом было решено использовать в качестве источника акустических навигационных сигналов мобильный автономный излучающий комплекс (Безответных В.В., Моргунов Ю.Н., Тагильцев A.A. и др., 2011).

Основными преимуществами этого комплекса являются простота его транспортировки и установки на дно в прибрежной зоне акватории, возможность передачи по радиоканалу в реальном масштабе времени зарегистрированных гидрофоном сигналов и результатов спутниковой обсервации надводной части имитатора АНПА в береговой центр анализа. На рисунке 4 а,б представлены функциональная схема и внешний вид АИС.

а) 6)

АиумулЕтпр 12В (150 Ач)

а - функциональная схема, на схеме: СЕВ - система единого времени, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, Т - трансформатор, Ь - согласующая индуктивность, ИП - источник питания; б - внешний вид: 1 - термоконтейнер с аппаратурой; 2 - пьезоэлектрический излучатель, 3 — рама излучателя, 4 — рама термоконтейнера.

Рисунок 4 - Автономный излучающий комплекс.

В качестве навигационных использовались сложные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей. Сигнальный фрейм генерируется посредством алгоритмов взаимодействия кодировщика и логического устройства По управляющему импульсу от системы единого времени логическое устройство передаёт фреймы на

а)

S Штт

L.........._J

чм

передатчик

: Гидроакустический буй

Ф8Ч

ЧМ приемник

Береговой блок

б)

ALTERA Cyclone II

FPGA Starter Board СЕВ

: ■ Логическое устройство J: Коррелятор Кодировщик

t..

_ Гекерагор !0 МГл

Line out stereo

а - приёмный тракт: ИП - источник питания, ФВЧ - фильтр высоких частот, ФНЧ -фильтр низких частот; б - корреляционный приемник: ИП - источник питания, АЦП -аналого-цифровой преобразователь, СЕВ — система единого времени, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.

Рисунок 5 - Структурные схемы приёмного оборудования.

Представленный программно-аппаратный комплекс достаточно универсален и может служить для решения ряда задач, связанных с исследованием распространения акустической энергии в морской среде. Результаты тестирования данного комплекса при осуществлении защищаемого метода навигации представлены в Главе 3.

Глава 3. Экспериментальная апробация метода повышения точности работы системы акустического позиционирования.

Данный раздел является основным, т.к. в нём приведены результаты собственных исследований, которые легли в основу защищаемых положений.

3.1 Апробация основ метода. В данном разделе описываются результаты эксперимента проведенного 13-14 июля 2010 года в бухте Витязь залива Посьета. Данный эксперимент является одним из первых в серии проведённых по апробированию и отработке защищаемого метода.

3.2 Акустическая аттестация мелководного шельфа в Корейском проливе Японского моря. Апробация метода на сверхмалых глубинах. На южном побережье Корейского полуострова, на острове Норек, в сентябре 2010 года была открыта морская станция корейско-российского центра морских и информационных технологий (МТ-1Т), созданного на базе Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН (г. Владивосток) и института науки и технологий (г. Кванджу), республика Корея. Основными задачами, решаемыми на базе данной станции, являются экспериментальные исследований и апробация технологических решений, направленных на развитие гидроакустических технических средств для освоения

спутниковой и акустической обсервации, т.к. яхта под действием течений и ветра периодически перемещалась на длину якорной цепи (15 метров). Перемещения яхты ежесекундно фиксировались по данным спутниковой навигации (GPS). Расстояние от приемной системы до излучателя №1 на начало эксперимента составило около 535 метров, а до второго 331 метр. Оба источника ежеминутно, с разнесением по времени 20 с, излучали те же сложные сигналы, которые были использованы в эксперименте на первом этапе. Излучающие и приемная системы были синхронизированы системой единого времени с точностью 10"8 с. В начале эксперимента были измерены импульсные характеристики волноводов на обеих трассах. Они оказались схожими с полученными на первом этапе. Так как была запланирована имитация функционирования АНПА вблизи дна, то эффективная скорость для расчетов дистанций была рассчитана по первому импульсу, распространяющемуся в придонном слое методом усреднения по пяти акустическим посылкам алгоритмом time_shifter. В течение 8 часов ежеминутно измерялись времена распространения импульсов от источников до приемной системы и рассчитывались дистанции между ними и координаты приемной системы. После чего эти данные сравнивались с данными GPS, и определялась разность показаний систем.

Щ®

а - схема эксперимента: б - изменение во времени вертикального профиля скорости звука; в - изменение во времени точности определения дальностей до источников (линия 2 - до излучателя №1, линия 1 - до излучателя №2) и координат имитатора (линия 3).

Рисунок 6 - Результаты акустической аттестации шельфовой зоны в Корейском

проливе у о. Норёк.

В качестве импульсной характеристики использовались выходные данные с корреляционного приемника, записанные в файл. Время распространения акустического импульса оценивалось по разности временных значений регистрации импульсов метки времени и импульса с корреляционного приёмника. Рисунок 6в иллюстрирует зависимость от времени ошибок определения координат и дистанций между приемной системой и излучателями №№1 и 2, началу координат соответствует время 00:00.

Можно отметить, что до 3 часов ошибки определения координат не превышали 1 метра, а затем увеличились до 3 метров. Для выяснения причин данные акустических расчетов координат и показания GPS были пересчитаны в декартову систему координат относительно точки с координатами 126.9725 Е; 34.4640 N. При этом ось ординат по направлению совпадает с направлением север-юг.

Относительно точки с координатой

34,4640 N 126,9725 Е

а)

а - момент времени 01:00 - 02:00; б - момент времени 07:00 - 08:00. Рисунок 7 - Результаты позиционирования имитатора АНПА.

На рисунке 7а приведено местоположение яхты и гидрофона в период времени с 01.00 до 02.00 по данным спутниковой (крестиками) и акустической (кружками) обсервации. Дальнейшие измерения показали, что местоположение гидрофона с 03.00 смещается на 1-2 метра от яхты в направлении на северо-запад, что может быть объяснено усилением течения. Это иллюстрирует рисунок 76.

Видно, что с 07.00 до 08.00 яхта перемещалась по акватории на 15 метров на северо-запад, а гидрофон на 1-2 метра смещался от яхты в том же направлении. По этому смещению можно объяснить разнознаковые значения ошибок измеренных расстояний от излучателей №1 и №2 до гидрофона. Действительно видно, что гидрофон приближается к излучателю №1 и удаляется от второго. В период проведения акустических работ с борта яхты ежечасно осуществлялось измерение вертикального профиля температуры и солености. Рассчитанные по ним скорости звука приведены на рисунке 66.

3.3 Завершающий эксперимент по апробации метода повышения точности работы системы акустического позиционирования. Эксперимент проводился с

01:00 часов 23 сентября до 18:00 часов 24 сентября 2011 года в бухте Витязь залива Посьета. Схема расположения приёмных и передающих систем представлена на рисунке 8а.

Сентябрь для проведения эксперимента был выбран как наиболее сложный для акустического позиционирования, т.к. в это время на данной акватории наблюдаются мощные внутренние приливы, которые вызывают колебания температуры (скорости звука) в придонном слое до 10 градусов. Каждые полчаса в точке №1 с яхты проводились измерения вертикального распределения скорости звука с использованием CTD-зонда. Эти данные использовались для физической интерпретации процессов распространения импульсов на акустических трассах с применением методов лучевой акустики.

Методика эксперимента заключалась в сравнении результатов акустической и спутниковой обсервации двух объектов: 1) имитатора приемной системы АНПА в виде гидрофона, опускаемого с борта дрейфующей вокруг якорного троса яхты (Т.1); 2) опорного гидрофона, установленного вблизи дна на глубине 18м (Т.2). За эталон при расчете ошибок акустического позиционирования брались данные с GPS, погрешности измерения координат которой составляли 5-7 метров. Цель сравнения заключалась в получении физических предпосылок для включения в системы позиционирования корректирующих устройств для уменьшения ошибок при изменении температурных режимов на акватории функционирования АНПА. Принятые с обоих объектов сигналы ретранслировались по радиоканалу в центр обработки и анализа. Акустическая обсервация объектов осуществлялась путем умножения измеренных времен распространения сигналов от двух установленных у дна источников S1 и S2, на глубинах 9 и 10 м соответственно, на эффективную скорость звука. Эффективная скорость распространения определялась в начале эксперимента по измеренным временам и расстояниям, полученным с системы GPS алгоритмом time_shifter. На этот момент длины трасс составляли: S1-T.1 - 1410 метров; S2-T.1 - 1029 метров; S1-T.2 - 1313 метров; S2-T.2 - 1275 метров. Перемещения имитатора АНПА в течение проведения работ отслеживались системой GPS. Источники навигационных сигналов ежеминутно излучали сложные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей с несущей частотой 2000 Гц. В центре обработки и анализа принятые сигналы поступали на вход корреляционного приёмника, после чего подавались на вход ПК и проходили обработку алгоритмами, time_shifter и Pos_analysis, которые измеряли времена распространения, рассчитывали и выводили на дисплей оператора координаты имитатора АНПА. Точность измерения времен обеспечивалась СЕВ на термостабилизированных кварцевых генераторах, которые синхронно запускались на излучающих и приемных системах перед началом эксперимента. Импульсные характеристики, полученные на опорном гидрофоне, выводились на дисплей оператора для анализа и количественных оценок их изменчивости при колебаниях температур на акустических трассах, соединяющих гидрофон с источниками навигационных сигналов. В течение эксперимента ежеминутно определялись

расстояния от излучателей до имитатора АНПА по акустическим и спутниковым данным и определялись ошибки позиционирования. Далее, по результатам измерений времени прихода первого импульса на опорном гидрофоне, осуществлялась коррекция текущей эффективной скорости звука на приемной системе имитатора АНПА и определялась итоговая ошибка позиционирования дрейфующего гидрофона.

Время измерения

а - Схема эксперимента; б - Изменение скорости звука в среде за время эксперимента

Рисунок 8 -Эксперимент в бухте Витязь в сентябре 2011 года

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 наблюдается постоянство скорости звука (1512 м/с) до глубин 20-25 метров. При приливе скорость звука с глубины 10 метров до дна уменьшается с 1512 м/с до 1486 м/с. На рисунке 86 представлены результаты обработки данный с СТО зонда, изменение скорости звука в среде за время эксперимента. Ввиду значительных температурных изменений слоистой структуры толщи воды за время эксперимента для момента прилива и отлива были построены лучевые картины для каждой из стационарных трасс для определения характера распространения акустической волны. Из полученных лучевых картин, соответствующих времени отлива для стационарных трасс, было установлено, что акустическая энергия первого импульса распространяется по прямому лучу, причём длина луча практически равна горизонтальной дистанции от источника до приёмной системы. Рассчитанная, при таких условиях, по времени прохождения дистанции акустическим импульсом

скорость звука составила 1512 м/с для каждой из трасс, что вполне соответствует данным гидрологических измерений.

С заходом приливных холодных вод, с 07:00 часов, изменяется амплитудно-временная структура импульсных характеристик, но отмечаются существенные различия на трассах. На трассе 82-Т.2 первый импульс распространяется в слое теплой воды по той же траектории, что и до прилива, и на его интегральную скорость незначительно влияет появившийся придонный холодный слой. Примерно с 10:00 часов и до 13:17 часов амплитуда первого импульса не преодолевает заданный порог превышения над помехой, и расчет расстояния производится по второму импульсу, который распространяется с двумя отражениями от дна. Как показывают расчеты, его траектория увеличивается на 8,5 метра. Следовательно, в этот период эффективная скорость звука на этой трассе уменьшается до 1501 м/с. Если предположить, что мы, в течение эксперимента, рассчитываем расстояние до Т.2 акустическим методом с эффективной скоростью 1512 м/с, то с 10:00 часов до 13:17 часов это привело бы к ошибке около 10 метров (рисунок 96)..

гп 4« т 800 1000 1200

а - импульсная характеристика трассы; б - изменения во времени ошибки определения дистанции; в - лучевая картина распространения акустической энергии Рисунок 9 - Акустическая трасса S2-T.2.

На трассе S1-T.2, с наступлением прилива, все первые лучи с малыми углами скольжения захватываются придонным звуковым каналом и образуют кластер, распространяющийся со скоростью около 1486 м/с (рисунок 10а). Ошибка при расчете расстояния составила бы около 25 метров. Позиционирование имитатора АНПА с использованием эффективной скорости 1512 м/с, с наступлением прилива приводит к ошибкам до 30 метров на трассе Sl-T. 1 и около 10 метров на трассе S2-Т. 1. Наглядно этот факт иллюстрируют фрагменты результатов позиционирования в период отлива и прилива (рисунок 11 а,б). Здесь 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. В момент прилива ошибка

позиционирования в направлении север-юг составляет приблизительно 30 метров, а в направлении восток-запад 10 метров. После внесения корректив на гидрологию ошибка позиционирования в момент прилива снизилась с 30 метров до 10 (рисункок 11в), что говорит об успешном применении разработанного метода.

:(1С::1? 03:17 Ш? ОМ? _ ¡*Г М;» ГЯ7¡В1 17-59 >.ч*»..м

а - импульсная характеристика трассы; б - изменения во времени ошибки определения дистанции; в - лучевая картина распространения акустической энергии

Рисунок 10 - Акустическая трасса 81-Т.2.

05 58 (х>'?7 а\ _______Ошибки ччрсас лсяиж/тупости до исрАояч» ногачиик» ъушхя SI-Т)

а - результаты сравнения работы САП и GPS момент отлива; б - результаты сравнения работы САП и GPS момент прилива; в - результат внесения коррекции в определения координат Т.1 с помощью САП

Рисунок 11 - Результаты эксперимента.

Заключение

Результаты, обсуждаемые в диссертационной работе, являются продолжением серии экспериментальных работ, направленных на внедрение методов акустической томографии в решение актуальных задач подводной дальнометрии и навигации.

Разработан и апробирован новый метод снижения навигационных ошибок АНПА, основанный на контроле гидрофизических параметров акватории в районе выполнения работ, для обеспечения миссий АНПА повышенной автономности в условиях шельфа

1 Эксперимент по апробации защищаемого метода в сложных гидрологических условиях, связанных с влиянием внутреннего прилива и перепадом температур с течением времени в придонном слое до 10 градусов, показал:

1.1. Ошибки измерения расстояний между излучателями и имитатором АНПА и его координат при изотермическом распределении по глубине на трассах в период отлива не превышают двух метров.

1.2. Выбор точек постановки источников навигационных сигналов и стационарного гидрофона относительно движущегося имитатора приемной системы АНПА оказался оптимальным, т.к. ошибки позиционирования имитатора и опорного гидрофона при резком изменении гидрологической обстановки в период прилива имеют один знак и близкие величины. Это позволило уменьшить ошибки измерения координат имитатора в 3 раза.

1.3. Выбранная схема и методика эксперимента позволила отдельно измерить и скорректировать ошибки по различающимся в гидрологическом плане трассам (север-юг и запад-восток). Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность применения томографического сканирования сложными акустическими сигналами в вертикальной и горизонтальной плоскостях акватории функционирования АНПА для корректировки текущих координат. Это может оказаться важным при управлении АНПА на сложной по рельефу и течениям акватории.

2. Анализ результатов тестовых экспериментов в Корейском проливе у острова Норёк показал высокую эффективность разработанных технических средств для решения прикладных задач гидроакустики и гидрофизики в сверхмелководных акваториях (менее 10 метров). Экспериментально показано, что на данной акватории можно обеспечить позиционирование АНПА при выполнении миссий в придонном слое с точностью менее одного метра. При размещении излучающих и приемных систем на глубинах от 3 до 8 метров были исследованы возможности применения сложных сигналов для акустической термометрии придонных слоев акватории, которые подвержены наибольшему влиянию подводных приливов. Временное разрешение структуры импульсных откликов позволяет оценивать чувствительность метода к изменчивости температуры менее одного градуса и, в перспективе, успешно использовать ее для измерения скорости морских течений методом встречного зондирования. Таким образом, можно заключить, что акватория, прилегающая к острову Норек, может быть успешно использована в качестве акустико-гидрофизического полигона для отработки перспективных технологий для развития робототехники, систем подводного позиционирования и мониторинга гидрофизических процессов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук:

1. Голов, A.A. Методы акустической томографии в задачах подводной навигации / A.A. Голов, A.A. Азаров, М.С. Лебедев, Ю.Н. Моргунов // Подводные исследования и робототехника, 2012. - №1. - С. 52-56.

2. Моргунов, Ю.Н. Акустико-гидрофизическое тестирование мелководной акватории в прибрежных водах Корейского пролива / Ю.Н. Моргунов, A.A. Голов, Д.С. Стробыкин, Ким Кисеон, Ким Чансан, Ро Шинрае // Акустический журнал. -2012. - Т.58. - № 3. - С. 350-355.

3. Акуличев, В.А. Акустико-Гидрофизический эксперимент в прибрежных водах Корейского пролива / A.A. Голов, Ю.Н. Моргунов, Д.С. Стробыкин, Ким Кисеон, Ким Чансан // Доклады Академии наук. - 2012. - Т.444. -№ 5. - С. 558-561.

4. Акуличев, В.А. Экспериментальная апробация метода повышения точности системы позиционирования подводных объектов / В.А. Акуличев, Ю.Н. Моргунов, A.A. Голов, A.A. Азаров, М.С. Лебедев // Доклады Академии наук. - 2013. - Т.449. -№6.-С. 701-704.

5. Моргунов, Ю.Н. Исследование влияния вариаций поля температур на точность измерения дистанций до подводных объектов / Ю.Н. Моргунов, A.A. Голов, A.A. Азаров, М.С. Лебедев // Акустический журнал. - 2014. - Т.60. - № 1. — С. 5654.

Патенты

6. Способ позиционирования подводных объектов: Пат 2469346 С1 Российская Федерация: МПК G01S3/80 / Моргунов Ю.Н., Тагильцев A.A., Безответных В.В., Буренин A.A., Голов A.A. / заявитель и патентообладатель: ТОЙ ДВО РАН - № 2011128643, заявл.11.07.2011; опубл.10.12.2012, Бюл.34 - Зс.: ил.

Статьи в других изданиях

7. Голов, A.A. Анализ ошибок в определении местоположения объекта экспериментальной системой подводного акустического позиционирования / A.A. Голов, Ю.Н. Моргунов, A.A. Тагильцев, A.B. Буренин, В.В. Безответных, Е.А. Войтенко, П.Г. Кушнир, Д.С. Стробыкин, A.A. Азаров, М.С. Лебедев // Седьмой Всероссийский симпоз., «Физика геосфер». - Владивосток: ТОЙ ДВО РАН. - 2011. — С.55-61.

8. Безответных, B.B. Экспериментальная апробация гидроакустического аппаратно-программного комплекса позиционирования подводных объектов / В.В., A.B. Буренин. A.A. Голов // Седьмой Всероссийский симпоз., «Физика геосфер». -Владивосток: ТОЙ ДВО РАН.- 2011.-С.17-19.

9. Безответных, В.В. Экспериментальная апробация системы позиционирования подводных объектов в бухте Витязь залива Посьет / В.В. Безответных, A.B. Буренин, A.A. Голов // Пятая конференции молодых ученых, «Океанологические Исследования», тез. докл. - Владивосток: ТОЙ ДВО РАН. - 2011. - С. 139-141.

10. Безответных, В.В. Экспериментальная апробация системы позиционирования подводных объектов в Корейском проливе вблизи острова Норёк— До / В.В. Безответных, A.B. Буренин, A.A. Голов // Пятая конференции молодых ученых, «Океанологические Исследования», тез. докл. - Владивосток: ТОЙ ДВО РАН. — 2011. - С. 134-135.

11. Моргунов, Ю.Н. Результаты экспериментального тестирования метода повышения точности систем подводного позиционирования / Ю.Н. Моргунов, A.A. Голов // Пятая Всероссийская Научно-техническая конференция, «Технические проблемы освоения мирового океана. - Владивосток: ИПМТ ДВО РАН. - 2013. - С. 249-253.

12. Голов, A.A. Анализ ошибок в определении местоположения объекта экспериментальной системой подводного акустического позиционирования / A.A. Голов, Ю.Н. Моргунов, A.A. Тагильцев, A.B. Буренин, В.В. Безответных, Е.А. Войтенко, П.Г. Кушнир, Д.С. Стробыкин, A.A. Азаров, М.С. Лебедев // Четвертая Всероссийская Научно-техническая конференция, «Технические проблемы освоения мирового океана». - Владивосток: ИПМТ ДВО РАН. - 2011. - С. 262-265.

13. Akulichev V.A., Golov A.A., Kamenev S.I. and Morgunov Yu.N. Examination of the complex signals distribution conditions influence // JASA, Vol. 131 № 4, 2012, p. 3385 (abstract).

Подписано к печати 24.05.2013 г.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объём 1,0 уч.-изд.-л. Тираж 100 экз., заказ №111 Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Голов, Александр Александрович, Владивосток

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения

Российской академии наук

На правах рукописи

Голов Александр Александрович

Разработка метода повышения точности позиционирования

подводных объектов

01.04.06 - Акустика

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный Руководитель Д.т.н. Моргунов Ю.Н.

Владивосток - 2013г

Содержание

Введение...........................................................................................................................4

Глава 1. Аналитический обзор теории и практики акустического зондирования морской среды применительно к задачам томографии и навигации необитаемых подводных аппаратов. Постановка задач................................................................10

1.1. Тенденции развития гидроакустических навигационных систем.....................11

1.1.1 .Гидроакустические навигационные системы с короткой и ультракороткой базой...........................................................................................................................11

1.1.1 .Гидроакустические навигационные системы с длинной базой.......................17

1.2. Проблемы и нерешённые задачи подводной акустической навигации............21

1.3. Акустическая томография как средство мониторинга изменения гидрологических параметров акватории.....................................................................23

Выводы............................................................................................................................33

Глава 2. Описание методов и технических средств используемых при решении поставленных задач.......................................................................................................34

2.1 .Описание метода повышения точности позиционирования подводных объектов..........................................................................................................................34

2.2.Программное обеспечение и методы обработки экспериментальных данных.............................................................................................................................38

2.3.Излучающие системы..............................................................................................56

2.4.Приёмные системы..................................................................................................60

Выводы по главе............................................................................................................64

Глава 3. Экспериментальная апробация метода повышения точности работы системы акустического позиционирования................................................................65

3.1. Эксперимент 2010 года в бухте Витязь. Апробация основ метода...................65

3.1.1. Описание и схема эксперимента........................................................................66

3.1.2. Результаты эксперимента...................................................................................74

3.2. Акустическая аттестация мелководного шельфа в Корейском проливе Японского моря. Апробация метода на сверхмалых глубинах ...............................81

3.2.1. Описание и схема эксперимента........................................................................82

3.2.2. Результаты акустической аттестации мелководной акватории в Корейском проливе вблизи острова Норёк.....................................................................................84

3.3. Завершающий эксперимент по апробации метода повышения точности работы системы акустического позиционирования...................................................92

3.3.1. Описание и схема эксперимента........................................................................93

3.3.2. Описание гидрологической обстановки и условий распространения звука.96

3.3.3. Введение коррекции скорости звука по данным акустического мониторинга гидрологических параметров.....................................................................................101

3.4. Рекомендации по применению защищаемого метода в мелководных акваториях....................................................................................................................104

Выводы по главе..........................................................................................................105

Заключение...................................................................................................................107

Список используемой литературы.............................................................................109

Введение

Российская Федерация - страна с обширными водными ресурсами. Их исследование и разработка очень важны для экономического благосостояния государства. Нахождение месторождений полезных ископаемых на шельфе, прокладка трансконтинентальных кабелей, проведение глубоководных исследований, это лишь не полный список проводимых работ по освоению морей и океанов. Развитие робототехники и средств телеметрии позволили сегодня в качестве инструмента, используемого для решения указанных задач, применять беспилотных роботов, приспособленных для работы под водой без непосредственного участия человека, который лишь осуществляет удалённый контроль и мониторинг операции.

Для обеспечения такого контроля очень важно знать положение автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) в пространстве. С учётом того, что радиоволны очень плохо распространяются в морской среде использование Глобальной Системы Позиционирования в задачах обеспечения непрерывного мониторинга положения АНПА в толще морской воды невозможно.

Метод акустического зондирования акватории сложными сигналами с успехом используются и совершенствуются уже не один десяток лет, с его помощью становится возможным обеспечить контроль над АНПА под водой.

На базе метода акустического зондирования разработаны и апробированы множества систем разных типов успешно справляющиеся с задачей позиционирования АНПА. Принцип их работы основан на измерении времени распространения акустической волны от АНПА до маяков - ответчиков. По определённым временам и заранее измеренной или рассчитанной скорости звука определяется расстояния от АНПА до каждого из маяков, после чего методом

триангуляции определяется положение АНПА в пространстве. Такие системы показывают стабильную работу на миссиях, длительность которых не превышает период изменчивости гидрологических параметров рабочей акватории (периоды приливно-отливных явлений, нагревания-остывания поверхностных вод). Так как точность данных систем зависит от соответствия запрограммированной в расчётном блоке аппарата значения скорости звука в среде и реальной, эффективной скорости звука на образовавшейся акустической трассе. Значение которой в свою очередь зависит от гидрологических параметров акватории. Таким образом, с течением времени за счёт изменения эффективной скорости звука будет увеличиваться ошибка позиционирования объекта, из-за этого точное определение местоположения АНПА становится проблематичным.

На основе приведённого выше анализа проблемы обеспечения точности позиционирования АНПА были определены цель и основные задачи, решаемые в настоящей работе.

Задачи:

3. Разработка алгоритмов и программ для решения задачи включения методов акустической томографии морской среды в работу систем акустического позиционирования с целью повышения их точности.

4. Экспериментальная апробация разработанного метода в условиях мелкого моря в Корейском проливе и в заливе Посьета.

Предложенный в защищаемой работе метод обоснован многочисленными экспериментальными данными и позволяет внести определенный вклад в решение задачи повышения точности позиционирования путем включения в навигационные комплексы АННА методов и средств акустической томографии морской среды.

Научная новизна. Работа содержит новые научные результаты по разработке и апробации в натурных условиях метода повышения точности позиционирования подводных объектов. Его новизна подтверждена патентом РФ на изобретение. Важные и новые результаты получены при тестировании мелководной (менее 10 метров) акватории в Корейском проливе у острова Норёк. Экспериментально было показано, что на таких глубинах точность позиционирования достигает десятых процента при рабочей частоте навигационных источников 2000 Гц. Это позволяет рассчитывать на большие

дистанции функционирования навигационных систем в столь мелководных акваториях.

Публикации и апробация работы. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в тринадцати работах, в том числе в пяти статьях в журналах, входящих в перечень ВАК. В рамках диссертационной работы получен один патент на изобретение.

Изложенные в диссертации результаты докладывались на пятой конференции молодых учёных «Океанологические исследования» (Владивосток, 2011), Всероссийской конференции «Физика геосфер» (Владивосток, 2011), Всероссийской научно-технической конференции ТПМО 2011, (Владивосток, 2011), International Joint Workshop on MT-IT Research Collaboration Center (Владивосток, 2012), Acoustics 2012 Hong Kong, Hong Kong Convention and Exhibition Centre 13-18 May 2012,Всероссийской научно-технической конференции ТПМО 2013, (Владивосток, 2013).

На защиту выносятся:

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Во введении сформулирована тема диссертации, ее цели и задачи, обоснована ее актуальность, научная новизна, достоверность выводов и практическая значимость.

В первой главе приведен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных специалистов, касающихся вопросов применения акустических методов для мониторинга гидрофизических процессов. Дается аналитический обзор известных методов акустического зондирования применительно к задачам акустической томографии и навигации. Приведен обзор существующих вариантов реализации гидроакустических навигационных систем. Проведён анализ их достоинств и недостатков. Отмечены проблемы препятствующие дальнейшему

усовершенствованию систем акустического позиционирования (САП). В заключение главы конкретизированы задачи исследования возможности и эффективности применения акустического мониторинга изменения гидрологических параметров акватории в целях введения коррекции в работу системы акустического позиционирования.

Во второй главе приводится описание акустического приемно-излучающего комплекса, разработанного в отделе технических средств исследования океана ТОЙ ДВО РАН для проведения исследований в областях акустической томографии и навигации. Приведены результаты методической и технической адаптации элементов комплекса для решения специфических задач, поставленных в защищаемой работе. Отдельно описаны алгоритмы и программы, разработанные автором для комплексной обработки акустической и гидрофизической информации, для вычисления навигационных ошибок и их коррекции по данным мониторинга температурных режимов морской среды.

Третья глава является основной, т.к. в ней описаны результаты исследований, которые легли в защищаемые положения. Процесс разработки метода повышения точности позиционирования подводных объектов включал несколько этапов после сформирования идеи метода. Это:

1. Разработка методик и технического обеспечения экспериментов.

2. Проведение экспериментов по позиционированию имитаторов АНПА в различных гидрологических условиях.

3. Проведение завершающего эксперимента, демонстрирующего достоинства защищаемого метода.

4. Разработка рекомендаций по применению метода в перспективных

САП.

В заключении приводятся основные выводы по результатам работы.

Глава 1. Аналитический обзор теории и практики акустического зондирования морской среды применительно к задачам томографии и

навигации необитаемых подводных аппаратов. Постановка задач

В настоящей главе приведен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных специалистов, касающихся вопросов применения методов акустической томографии для мониторинга гидрофизических процессов. Рассмотрены разные типы гидроакустических систем, отмечены их достоинства и недостатки.

Акустическая томография морской среды - быстроразвивающееся направление, включающее в себя достижения современной волновой физики, математики, инженерии. Главной задачей акустической томографии является восстановление гидрологических параметров морской среды по данным акустического зондирования.

Методы акустической томографии применяются для мониторинга изменчивости поля температур на акватории, отслеживания приливных явлений и прочих задач, важных как в своём фундаментальном значении, так и в' возможности частного применения в рыбопромысловой и смежных областях.

Для повышения точности позиционирования подводных объектов системами гидроакустической навигации крайне важно знать изменение вертикального профиля скорости звука во времени, а так же картину лучевого распространения акустической энергии. По этим данным, полученным с помощью методов акустической томографии, и численного моделирования, можно осуществлять своевременные поправки в расчёты координат отслеживаемого объекта и тем самым повысить итоговую точность позиционирования.

1.1. Тенденции развития гидроакустических навигационных систем

Системы высокоточной подводной навигации, управления и связи входят в состав базового оборудования и являются одной из основных составляющих успешного развития и использования АНПА в практике океанографических исследований, при проведении подводных работ и для решения прикладных оборонных задач.

Для обеспечения непрерывного позиционирования АНПА с наименьшими отклонением от истинного положения использования одной инерционной навигационной системы (ИНС) оказывается недостаточным [1]. В расчётном блоке ИНС с течением времени накапливается ошибка позиционирования АНПА, вызванная случайными или неучтёнными факторами: подводными течениями, изменениями параметров движения (линейной скорости, угла крена). Для корректировки такого рода ошибок на АНПА