// Вие четете...

Ниво на океана

Навигационни хидроакустични системи.

„В света няма нищо не възможно.“

Основни сведения. Навигационни хидроакустични системи (НХС) се наричат съвкупност от функционално взаимно свързани бордови и установени на дъното хидроакустични устройства, предназначени за определяне на мястото на кораба.

Навигационните хидроакустични системи се използват в тези райони, където съвременните РНС или други технически навигационни средства не удовлетворяват изискванията за точност и надеждност за определяне на мястото. Те се използват преимуществено в отдалечени райони на Световния океан. Но и при решаването на много приложни задачи в пределите на шелфа НХС могат да се окажат предпочитани по сравнение с други технически средства.

Методиката по използване на НХС за хидрографски работи ще разгледаме приложно към осигуряване на снимката на релефа на дъното с примера на далекомерната навигационна система „СНП-20”. Тази система е предназначена за определяне на мястото относно дънни хидроакустични маяци – ответчици (МО) при изпълнение на научно изследователски и поискови работи в районите на Световния океан с дълбочини от 100 до 6000 м. Тя включва три и повече МО, установени на дъното, корабната апаратура, в чиито състав влиза също и приемо-излъчващата акустична антена.

Хидроакустичните МО представляват сами по себе си хидроакустични станции, които излъчват хидроакустични импулси в отговор на сигнали от корабните антени. Определянето на мястото се осъществява по три или повече разстояния, измервани от корабната антена до МО.

Наклоненото разстояние S се получава по времето tна пробега към МО и обратно на звуковия импулс

които след това се преобразува в хоризонтално разстояние D.

Методиката за използване на НХС за осигуряване на снимка на релефа на дъното, също и както методиката за използване на РНС, включва съвкупност от прийоми, позволяващи получаването на най-ефективни резултати за всеки конкретен район.

В „СНП-20”, като правило, на дъното се установяват три МО, получили съкратеното название триада. При тяхното разместването следва да се има в предвид две основни задачи:

– осигуряване на максимално възможна акватория, във всяка точка на която се гарантира измерване на разстоянията и до трите МО;

– реализация на изискванията за достигане на необходимата точност на определяне на мястото на кораба, извършващ снимката.

За изясняване на първата задача ще уточним понятието далечина на действие на хидроакустичните средства. В общия смисъл под далечина на действие се разбира най-голямото разстояние при което все още е възможно да се извършват измервания в реално съществуващи хидроакустични условия.

Различават енергетична и геометрична далечина на действие. Енергетичната далечина на действие се определя от мощността на акустичните излъчвания. Геометричната далечина на действие се нарича хоризонталното разстояние от даден МО до границата на зоната, зад предела на която се образува акустическа сянка под влиянието на рефракцията.

Обозначаваме геометричната (хоризонталната) далечина на действие на МО с d. Отчитайки, че хидрологичните условия в ограничен обем се съхраняват еднакви, ще установим триада МО във върховете на равностранния триъгълник. Ако МО бъдат установени по подобен начин на окръжност с радиус r = d, то едновременното измерване на три разстояния ще се окаже възможно само в една точка – в центъра на окръжността. С намаляване на радиуса на окръжността ще се увеличава площта, в пределите на която ще бъде възможно да бъдат измерени всичките три разстояния. В крайния случай, когато тази площ ще се окаже максимална, ще бъдат установени трите МО в една точка в центъра на окръжността. Но при такава установка мястото на кораба не бива да се определя, тъй като ъгълът на пресичане на изолиниите тук ще е равен на нула и кораба може да се намира във всяка от безкраен брой точки на подобна окръжност.

По този начин, за определяне на мястото по триада МО трябва да се изпълни неравенството 0 < r < d. На рис. 60 е представен именно такъв случай. Тук на окръжност с радиус r е разместена триада от МО в точките M1, M2, M3. От тези точки с радиус d, равни на хоризонталните далечини са прокарани дъги AB, AC, BC. При това минималните ъгли на пресичане на изолиниите θ относно точките A, B, C. Във всички други точки на периметъра те ще са повече.

Намираме от тези условия съотношение, позволяващо да се определи установката на МО в зависимост от конкретните задачи. В равностранния триъгълник M1M2M3 ъглите при върховете са равни на 60°. Обозначаваме с D дължината на страната на триъгълника, а с θ минималния от ъглите на пресичане на изолиниите при дадената разстановка. Разстоянията AM1, AM2са равни на хоризонталните дължини d до маяците ответчици. Спускаме нормали от точка A към страната M1M2 в точка K. От построяването можем да напишем

откъдето

От правоъгълния триъгълник NKM1

Поставяме D от (11.11) в последното изражение

Формулите (11.11), (11.12) показват, че при известна хоризонтална далечина d размера на зоната в пределите на която може да се определи мястото по три разстояния, се определя от ъгъла θ на пресичане на изостадиите.

По-рано беше установено, че от ъгъл θ на пресичане на линиите на положения зависи средно квадратичната грешка M на определяне на мястото. Следователно, в зависимост от приоритета за точност или размера на зоната се приема окончателно решение относно допустимост на ъгъла θ. Ще разгледаме този въпрос по-подробно и ще определим формулите, които позволяват да се намери необходимите размери при установяване на триадата от МО в зависимост от допустимата средно квадратична грешка M на мястото.

За тази цел ще се обърнем към формулата за средно квадратичната погрешност на определяне на мястото по три разстояния

Средно квадратичното сместване на линиите на положение ще положим за еднакви и равни на средно квадратичната погрешност mS на измерване на разстоянията

От рис. 60 следва, че в най-слабите точки ще се изпълняват условията: един от ъглите ще е равни θ, а за другите ½ θ.

Тогава (11.13) може да се представи в следващата опростена форма

При малки θ полагаме sinθ = 2 sinθ/2 и на това основание получаваме

Знаейки mS и задавайки величината на средно квадратичната грешка M на определяне на мястото, решаваме последното равенство относно sinθ/2

Поставяме sinθ/2 от (11.14) в (11.11), (11.12) и получаваме формулите за разчета на размера на триадата в зависимост от необходимата точност на определяне на мястото и точността на измерване на разстоянията

Определяйки дължината D построяваме триадата, като се избират участъци с добър грунд и равно дъно, имайки в предвид, че наклона и неравностите на дъното забележимо намаляват далечината на действие на системата, способстват за възникването на вторични отражения и вноса, по този начин на изкривявания в резултатите от измерванията.

Освен това, следва да се отчита, че при наличие на течения МО могат да бъдат изместени от изходната точка, внасяйки неизбежна систематична погрешност в резултата от измерванията и определянето на мястото на кораба при снимка на релефа на дъното.

Установката на първия МО се извършва в предварително избрана точка, въвеждайки я по координати. След установката се проверява геометричната далечина d и по нея се уточнява далечината Dij страната на триадата. След това, следвайки по пътя на счислението от първия знак се достига точката за установка на втория МО.

За установка на третия знак кораба ляга на курс, по нормалата към средата на страната D12, удържайки равни разстоянията до вече поставените МО. След заставането в точка, за която се съблюдава условието D31 = D32 = D12, се извършва установката на третия МО.

В момента на установка на знаците се измерват дълбочините и се извършва определение на мястото на кораба с всички достъпни способи.

Геометрична далечина на действие.

Геометричната далечина на действие d за дънните МО, както беше вече показано се определя размерът на акваторията, в пределите на която е възможно и достатъчно точно определянето на координатите на надводните кораби и дълбоководните апарати.

Геометричната далечина на действие се ограничава от рефракцията на акустичните лъчи, свързана с изменение на вертикалната скорост на разпространение на звука. Тези изменения се описват от известния закон на пречупването

където αi, αi-1 – ъгъл на наклона на лъча в слоя със скорост υi,υi-1 съответно;

υГ – скорост на звука в слоя, където лъчът е насочен хоризонтално.

Диференцирайки (11.17), получаваме

Ако представим изменението на кривината на лъча с dα чрез радиуса ρ, можем да напишем

където dl – изменение на дължината на хордата.

Решавайки съвместно (11.18), (11.19) и обозначавайки с g = ∆υ/∆z градиент на скоростта на звука, получаваме

Забележими изменения на скоростта на звука се случват само във горните слоеве на морето под влиянието на резки изменения на температурата. На дълбочини, превишаващи 500 м, градиентът на скоростта остава стабилен (0,017 c-1) и пропорционален на дълбочината. Акустичните лъчи в тези условия се превръщат в окръжност с радиус ρ = – υГ/ 0,017.

Знакът на радиуса на кривината съвпадат със знака на кривината на акустичния лъч и оказва увеличение (+) или намаление (-) на ъгъла на наклона с дълбочината. При положителна кривина траекторията е обърната с изпъкналата си част нагоре, а при отрицателна – с изпъкналата си част надолу. При всеки знак на градиента най-голямата далечина ще осигурява хоризонтална траектория на дълбочина с най-голяма скорост.

За разчет на геометричната далечина на действие проектираме траекторията на лъча на хоризонтална плоскост. При промяна на градиента такова проектиране е целесъобразно да се извършва по отделни участъци, в пределите на които неговото значение може да се положи за постоянно. На такива участъци ще заменяме кривата линия със стягаща хорда. До колкото ъгълът на наклона на хордата е равен на средно аритметичното от ъглите на наклона на допирателните в края на дъгите, можем да напишем следното очевидно изражение за изменението на хоризонталната далечина на действие на произволен участък от траекторията на лъча

където ∆zi = zizi-1 – дебелина на съответния слой на водата.

Ъглите на наклона на всеки хоризонт се получават на основата на (11.17) по формулата

Геометричната далечина на действие на МО ще представлява сама по себе си сума от частните изменения

Ще разгледаме влиянието на удълбочението на корабните вибратори относно повърхността на морето, а също така и на височината на знаците на МО относно дъното на геометричната далечина на действие.

Ще представим на рис. 61 траекторията на лъча във вид на окръжност с радиус ρ и център в точка K (за опростяване се приема, че градиента е постоянен).

Когато МО се намира на дъното в точка O, на дълбочина z, хоризонталната далечина на действие dо може да бъде получена от израза

Ако излъчвателя МО е повдигнат на височина H относно дъното, хоризонталната далечина на действие се увеличава и ще е равна на

И накрая, ако приемника на кораба (дълбоководния апарат) е потопен на дълбочина h, относно нивото на морето, хоризонталната далечина ще е

По този начин, с потапянето на антената хоризонталната далечина на действие се намалява.

Геодезична подготовка на района.

А. Цел на подготовката. Основна цел на геодезичната подготовка се заключава в определянето на пространствените координати на всеки пункт от триадата (планово положение и дълбочина).

Точността на определяне на географските координати φ и λ в районите, отдалечени от брега, даже при използване на съвременни средства, не удовлетворяват изискванията, предявявани към НХС. За постигане на висока точност на определяне на взаимното положение на точките в пределите на работната зона на триадата се използва местна правоъгълна система координати η, ψ. Плановите елементи на триадата, необходими за тази цел, се определят в процеса на калибровка на системата.

По такъв начин, след установяване на МО и определени в процеса на това установяване предварителни координати φ и λ и дълбочини z’ за всеки от тях се извършват специални работи по геодезичната подготовка на района, в задачите на които влизат:

– определяне на уточнените географски координати φ и λ за МО;

– определяне на окончателната дълбочина z на установка за всеки от тях;

– калибровка с цел определяне на азимутите и дължините на страните (базите) на триадата;

– определяне на координатите на всеки МО в местна правоъгълна координатна система.

Ще преминем към разглеждане на прийомите, позволяващи решаването на всички указани задачи.

Б. Определяне на уточнените координати на МО. За определяне на координатите на МО с повишена точност при зададени условия и достъпни технически средства ще се обърнем към метода на най-малките квадрати и за тази цел се използват повече от необходимите измервания. Реализацията на такъв прийом е графично представен на рис. 62 и се заключава в следното.

Корабът, маневрира в района на триадата M1, M2, M3, определя в точките A, B, C, D, E, G своите координати и едновременно измерва серия от наклонени разстояния до един (точки A, B,E) или до два (точки B, D, G) МО. По време на измерванията корабът се движи на постоянен курс и скорост. Координатите на кораба във всяка от точките от AдоG се определят всички възможни за дадения район способи с отчитане на счислението, привеждат се към момента Tпр и по този начин се намират най-вероятните значения φi и λi за тези точки.

Измерванията близо до точките AG на серия хидроакустични разстояния Siсъщо се привеждат към момента Tпр по пътя на въвеждане на поправки по известната формулата

където δj – поправка към разстоянията, измерена в момент Tj, м;

Tпр = (TпрTj) – интервал от време между моментите на измерване и привеждане, ч;

AjM – азимут от точката на съответния МО M(1, 2, 3);

ИК, V– истински курс и скорост на кораба, възела.

Тогава най-вероятното разстояние до i-я МО в момента на привеждане ще бъде

Разполагайки с най-вероятните координати на кораба φi и λi и разстоянието Si във всяка от точките за привеждане, можем да определим координатите на всеки МО по способа далекомерна засечка от три опорни пункта.

Ще покажем това на пример с определяне на координатите на маяк-ответчика M3 (рис. 62). Тук в качеството на изходни опорни точки ще използваме точките на привеждане B, A, G и най-вероятните разстояния Siот тези точки, получени по формулата (11.21).

Измерените наклонени разстояния Si се привеждат към съответствие с хоризонталните разстояния Di по формулата

където zi – дълбочина на установка на МО;

h – потапяне на корабните акустични антени;

H – височината над дъното на акустичните антени на МО.

Известните приближени координати на маяк-ответчика M3 обозначаваме с φM, λM. Съставяме уравнения за трите стадиометрични линии на положението

Коефициентите и свободния член на това уравнение получаваме в съответствие с (9.12) от изразите:

където i – индекс на точките на привеждане B, A, G.

Значенията на AiM, DiM получаваме от решаването на обратната геодезична задача по координатите на точките за привеждане (B, A, G) и приближените координатите φM, λM на маяк-ответчика M3.

Последващите решения се осъществяват по метода на най-малките квадрати по формулите (5.97) – (5.99) с предположението, че в ограничен район и при еднаква погрешност на измерванията на хидроакустичните разстояния всичките три линии на положението са равно точни.

Обозначаваме

Тогава в съответствие с (5.98), (5.99) получаваме

Ако няма основание за отнасяне на линиите на положение към категорията на равно точните, то тогава се изчисляват техните тегла по (5.86), а решението се осъществява съгласно (5.102) – (5.104) приложено към системата на географските координати.

Средно квадратичната погрешност на определяне на мястото на МО или елементите на елипсата на грешките в случай на равно точни линии на положението се намират по формула (5.106) и (5.91), а при обработка на неравно точни линии по (5,116) и (5.115) съответно.

В. Определяне на окончателната дълбочина на установка на МО

При установка на МО в определена точка на дъното обезателно се измерват и се фиксира дълбочината z. Но в резултат на сноса от теченията или някакво сместване на котвеното устройство по наклонената повърхност на дъното координатите на МО и дълбочината могат да бъдат изменени. Поради това след завършването на работата по установка на всички знаци на триадата е необходимо да бъдат получени достоверна и най-точна информация за действителната дълбочина за всеки МО.

За определяне на окончателната дълбочина z се използва способът получил названието „Лист на клевера” по очертанието на траекторията на кораба, водещ измерванията (рис. 63). В този способ, ориентирайки се по координатите на МО се прокарва пътя на кораба с такъв разчет, щото да се преминава непосредствено над установения знак и се водят чести измервания на разстоянията до него с помощта на бордовата апаратура на НХС. Определя се точката 1, в която разстоянието се оказва минимално, след това корабът се развърта по такъв начин, щото курсът да излезе в тази точка, перпендикулярно към първия отрязък. Определя се точка 2, където разстоянието до МО отново да се окаже минимално. Извършвайки няколко витки от подобно маневриране, се приема в качество на измерена дълбочина zизм за установка на МО най-малката от всички разстояния Si.

Окончателното значение на дълбочината z на дънния МО се определя след въвеждането на необходимата поправка.

Оценката на средно квадратичната погрешност mz на дълбочината, получена по разгледания способ, се разчита по формулата

където ms – средно квадратична погрешност на измерените наклонени разстояния;

mПП – средно квадратична погрешност на прокладката на пътя на кораба в процеса на маневрирането.

Г. Калибровка на хидроакустичните системи. В резултат на решаването на първите две задачи от геодезичната подготовка се получават координатите φ, λ и дълбочината z на дънните МО. Но, както вече беше отбелязано, не високата точност на географските координати принуждава да се използва местна правоъгълна координатна система, относно която положението точки могат да бъдат определени с голяма точност. За създаването на такава местна система трябва да бъдат определени с висока точност плановите елементи на триадата, към които се отнасят дължината на базите D и техните азимути A.

Процесът по определяне на плановите елементи на триадата по непосредствено измерени разстояния с помощта на хидроакустична апаратура на НХС е получил названието калибровка.

Същността на калибровката се илюстрира на рис. 64 и се заключава в определяне на точките K1, K2, K3, за които хидроакустичните разстояния до съответните МО се оказват минимални, а също така N1, N2, в които минимални стават сумите на разстоянията между две двойки МО, образуващи дадената база. С тази цел се прокарва прав курс K и се пресича площта на разположението на знаците, следвайки с постоянна скорост и извършвайки чести измервания на разстоянията до двата МО за всяка база. На пресичането на базите в точките N1, N2 сумите на разстоянията M1N1 + N1 M2и M2N2 + N2 M3 ще са минимални и равни на тези бази D12и D23 съответно.

Дискретния характер на измерванията на разстоянията в общия случай не позволява точно за фиксиране на настъпване на указаните минимални величини. Но тази задача може да се реши с графични или аналитични прийоми. В първия случай се строи график, на една от осите на която е представена равномерна времева скала, а на другата скала на разстоянието. Точката на пречупване, се получава със съединяване на дискретните точки с плавна крива, и дава отметка за търсеното минимално разстояние. Във втория случай се получават по-точни значения на минимални наклонени разстояния с помощта на формули за параболична или плавна интерполация (4.61) – (4.64). По уточнени наклонени разстояния Sij се получават техните аналогични хоризонтални разстояния Dijпо формулите (11.22).

Тогава

представляват търсените дължини на базите между маяк-ответчиците M1M2 и M2M3съответно.

За сметка на методичните, инструменталните погрешности и погрешностите, внасяни от външната среда, разстоянията Dij се оказват натоварени със случайни и остатъчни погрешности (основно систематичните погрешности се отстраняват с въвеждането на поправки). За повишаване на точността на определяните планови елементи процедурата на измерване се повтаря, като многократно се повтарят пресичането на страните на триадата при различни сечения (1-2; 1-3; 2-3). Обработвайки измерванията с обикновените прийоми се определят вероятните величини на базите (D12, D13, D23) и те се приемат за истински.

Сега ще се обърнем към правоъгълния триъгълник M1K1N1; тук известни са дължините на страните: M1K1 = (Dmin)K1 и M1N1 = (Dmin)N1M1. Обозначаваме с β’ и β″ съседните ъгли между линиите на курса K и направлението на базата M1M2. В правоъгълния триъгълник N1K2M2известни са страните: K2M2 = (Dmin)K2 и N1M2 = (Dmin)N1M2.

Указаните елементи позволяват използването на теоремата на синусите и получаването на значението на съседните ъгли β’ и β″

Сега можем да намерим най-вероятното значение на ъгъла β, а след това и направлението на базата A12

С подобен прийом се определят и азимутите на базите A13и A23.

Д. Определяне на координатите на МО в местна правоъгълна система. Взаимното положение на различните точки, определяни в пределите на работната зона на НХС, може да бъде получено с много по-голяма точност, ако вместо географски се използват местна правоъгълна координатна система η, ψ. Това е свързано с това, че в местна координатна система МО се определят с получени при калибровката величини на базите на триадата, което позволява определянето на тяхното взаимно положение с по-голяма точност, отколкото при географските координати.

В местна правоъгълна система в качеството на ос η се приема направлението на базата D12 между първия и втория МО; оста ψ е нормална към базата D12(рис. 65). Началото на координатната система съвпада с точката на установка на маяк-ответчика M1. В тази координатна система маяк-ответчиците се определят със следните значения

Определяме величините η3 = a, ψ = bот правоъгълния триъгълник M1OM3

Известното от калибровката значение на направлението на страната A12 позволява лесно преминаване от местна координатна система η, ψ към правоъгълна координатна система на Гаус със съхранение на произволното начало на системата в точка M1 или с пренос в обикновеното начало на пресичане на осевия меридиан и екватора по формула (5.48).

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар