„Трудното не е невъзможно.“

Определяне на мястото на автономните необитаеми подводни апарати (АНПА). Анализът на съвременните тенденции за развитие на подводните технологии свидетелства за значителния прогрес в областта на създаване на перспективни робототехнически комплекси. При това изискванията към функционалните възможности на автономни необитаеми подводни апарати (АНПА) и роботизирани технически комплекси с различно назначение през последните години се измества към страната на увеличаване на далечината на действие на системата за управление и системата за позициониране. Проблематично си остава използването на класическата схема на хидроакустическа система с дълга база, на основата на установяване в района на използване на АНПА на дънни маяци. Един от перспективните методи за увеличаване на далечината на действие и повишаване на точността на позициониране на АНПА при използване на хидроакустически навигационни системи (ХНМ), се явява използването на ниско честотни сложни широко лентови сондиращи сигнали. В последно време в системите за хидроакустическа навигация и във връзка с получилите широкото разпространение, разработки, използващи фазово манипулирани сигнали.

Ще формулираме три основни изисквания, изпълнението на които може да осигури повишаване на ефективността на хидроакустическите навигационни средства, използващи сложни сигнали:

– високо точно определяне на скоростта на разпространение на хидроакустическите сигнали за сметка на повишаване устойчивостта на смущения и използването на правите акустически лъчи в канала за връзка: предаваща хидроакустическа станция (ПХС) – АНПА;

– високо точно определяне на пристигане на навигационните сигнали по пътя на избора на оптималните параметри в М – последователност (честота, количество на символите, количество на периодите на символите) и привързването на сондиращите импулси към системата за единно време както на ПХС, така и в приемната апаратура на АНПА;

– разширение на възможностите на системите за управление, телеметрия и навигационна система за сметка на работата с ансамбъл ортогонални навигационни сигнали и периодична корекция на бордовите часовници по сигнал за единно време.

Предаващата хидроакустическа станция (ПХС) трябва да бъде в ниско честотна полоса за качествено предаване на сложните сигнали. Най-подходящи за тези цели се оказват излъчвателите на базата на пиезо керамичните кръгове.

Основен метод за обработка на широко лентовите псевдо шумови сигнали (ШПС) при тяхното откриване в хидроакустическите приемни канали на навигационната апаратура за АНПА се явява операцията за корелационна сверка на приетия сигнал с копие от излъчения. Решение за откриване и за начало на измерването на времето на разпространение на навигационния сигнал между пункта на излъчване и АНПА се приема по максималното значение на импулсната характеристика, преодоляла прага на корелационния шум. По нататък, на разглеждания интервал се измерва задържането на този максимум относно сондиращия импулс от опорния генератор на приемната апаратура на АНПА.

По такъв начин, за прецизното определяне на разстоянието ХНС (ПХС – АНПА) е необходимо да има високо качествени опорни генератори както на ПХС, така и на АНПА. Както при формирането на скалата за времето и псевдо случайната последователност (ПСП) за модулация на носещата честота от апаратурата на ПХС, така и в приемния тракт на апаратурата на АНПА, за демодулация на приетия сигнал, трябва да се използва една и съща информация, формираща сигнала в модулатора на предавателя на ПХС. Увеличението на продължителността на ПСП повишава устойчивостта на смущения на системата като цяло. Подобна схема вече се използва в спътниковите навигационни системи. За формиране на скалата на времето и псевдо случайната последователност на спътниковите апарати се използват цезиеви и рубидиеви опорни генератори (ОГ) с дълговременна относителна нестабилност 10^-11 – 10^-12, а в корабната приемна апаратура са установени кварцови опорни генератори с дълго времева относителна нестабилност 10^-6 – 10^-9. Последните разработки на кварцови ОГ имат не лоши масово габаритни характеристики и незначително енергийно потребление.

Тъй като скоростта на разпространение на звуковите колебания в морската вода е приблизително равна на 1500 м/с, то аналогични ОГ могат да бъдат използвани в апаратурата на ПХС и в приемния тракт на апаратурата на АНПА. В резултат на използване на ОГ потенциалната (инструментална) погрешност на измерване на дистанцията не превишава единици метри. Времето за непрекъснатата работа на ОГ, при което той ще осигурява зададената точност на измерване, превишава шест месеца.

Проведените експериментални изследвания са показали, че използването на сложни широко лентови фазово манипулируеми сигнали позволява определянето на координатите на подводните подвижни обекти достатъчно точно (стотна част от процента) на разстояние по-големи от 300 км от предавателя, установен в крайбрежната шелфова зона.

Но при това на мястото на установка на предаващото устройство се натрупват ограничения: наличие на отрицателна рефракция на скоростта на разпространение на звука (СРЗ) във водната среда, което води към формиране на придънен подводно звуков канал на континенталния шелф и преминаването на акустическата енергия през подводно звуков канал (ПЗК) в дълбокото море. Добри резултати по точност на измерването на разстояния са обусловени от стабилността на скоростта на звука по оста на ПЗК. Тоест измереното разстояние между кореспондиращите точки се свежда до умножаване на значението на скоростта на звука по оста на ПЗК. Многократната апробация на тази технология е показала добри резултати, но е било отбелязано, че за повишаване на точността на измерване е необходимо да се отчита факта, че обикновено скоростта на звука на шелфа се отличава от скоростта на звука на оста на ПЗК, и е необходимо да се разчита ефективната (средната) скорост на звука с отчитане на приноса на скоростта на звука на шелфа. За това е нужно да се проведат измервания на скоростта на разпространение на звука (СРЗ) от местото на установка на ПХС и АНПА. Знаейки числените значения на тези величини, може да се изчисли средното значение на СРЗ по трасето:

V_ср=V_ш*R_ш/(R_пзк+R_ш)+V_пзк*R_пзк/(R_пзк+R_ш),

Където

R_ш – дължината на частта от трасето на шелфа;

R_пзк – дължината на частта от трасето в дълбокото море;

V_ш – СРЗ на шелфа;

V_пзк – СРЗ в дълбокото море.

Използването на сложни сигнали позволява създаването на много канална приемна апаратура за АНПА на основата на кодово или честотно разделение на сигналите. Това открива възможност за отчитане на честотното доплерово изместване за широк диапазон за скоростта на АНПА и организацията на предаване на информацията.

За реализацията на горе изложените изисквания ПХС трябва да има следната приемно предаваща апаратура:

– ОГ за формиране на времевата скала и модулация на предаващата честота на ПХС;

– приемниците на сигнали от спътниковите навигационни системи за периодична корекция на времевата скала;

– апаратура за предаване на измерените значения на СРЗ на АНПА за изчисляване на средната СРЗ по трасето, което позволява да се повиши точността на измерване на дистанцията ПХС – АНПА.

Измерената от приемната апаратура на АНПА далечина до ПХС може да бъде обработена по метода на най-малките квадрати или по метода на рекурентна калмановска филтрация, при това количеството на измерванията на навигационния параметър трябва да не са по-малко от четири. Вектора на оценяваните параметри трябва да включва три компонента: поправки за ширина, дължина по отношение на счислимите координати на АНПА и систематическата поправка, обусловена от разминаването на часовниците (генераторите) на ПХС – АНПА.

За определяне на вектора на скоростта на АНПА е необходима съвместна обработка на серия от обсервации. Предварителните изпитания показват (виж таблицата), че ХНС е способна да осигури определяне на дистанцията до АНПА с погрешност от няколко десетки метра.

Резултати от експерименталните изследвания на ХНС.

Анализът на резултатите показва, че най-голям принос в погрешността на измерване на дистанцията внася знанието на СРЗ по трасето, при това погрешността на определяне на координатите може да достигне от 200 до 400 м при максимално отдалечение от ПХС.

В същото време използването, за създаване на работна зона на ХНС от няколко предаващи хидроакустически станции в състав на водеща (ВЩ) и няколко водими (ВМ), както това е реализирано в наземните радио навигационни системи (РНС), е невъзможно, тъй като в РНС електромагнитния сигнал е непрекъснат, а хидроакустичния сигнал е импулсен.

Освен това, използването на азимутални способи (пеленгуване) за определяне на координатите на обекта е не целесъобразно, тъй като на значителни разстояния заради относително голямата погрешност в измерване на пеленга на борда на АНПА, погрешността на определяне на неговите координати може да превишава десетки метри.

Псевдо случайната последователност, нейната продължителност, алгоритъм (закон) на формиране могат да бъдат определени по експериментален път.

По такъв начин, направената оценка на възможностите за използване на широко лентовите хидроакустически сигнали в ХНС на големи разстояния, са обосновани изискванията към излъчващите и приемащите елементи на ХНС, което позволява да се съкрати обема и времето на експерименталните изследвания и да се повишат тяхната резултатност.