Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследование комплексной системы донной акустической навигации повышенной надежности

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Парамонов, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

СИСТЕМ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ НАВИГАЦИИ.

§1.1 Обзор, классификация и анализ традиционных ГАНС.

§1.2 Особенности режимов работы подводных технических средств при полигонных исследованиях в океане.

§1.3 Выбор структуры и алгоритма работы комплексной ГАНС.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ

КОМПЛЕКСНОЙ ВЫСОКОНАДЕЖНОЙ ГАНС.

§2.1 Обоснование выбора основных параметров системы.

§2.2 Методы гидроакустической навигации с длинной базой.

§2.3 Алгоритмы гидроакустической навигации с длинной базой.

ГЛАВА 3. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ГАНС И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЕ

СТЕНДОВЫХ И НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

§3.1 Схемотехнические и конструктивные решения ГАНС.

А. Гидроакустический маяк-ответчик (МО).

B. Судовая опускная гидроакустическая антенна(СГА).

C. Судовая шахтная гидроакустическая антенна (СШГА).

D. Глубоководная приемо-излучающая гидроакустическая антенна (ГТА).

E. Судовой блок электроники (СБЭ).

F. Микропроцессорный модуль СБЭ.

G. Специализированное вычислительное устройство (СБУ).

H. Радиогидроакустический буй (РГБ).

§3.2 Методика и результаты стендовых испытаний ГАНС.

§3.3 Морские испытания комплексной высоконадежной ГАНС.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и исследование комплексной системы донной акустической навигации повышенной надежности"

Гидроакустические навигационные системы (ГАНС) начали разрабатываться в 1960-ые годы и получили существенное развитие и широкое распространение в последующее время [6, 42, 48, 56]. Развитие ГАНС шло по пути улучшения параметров гидроакустических антенн, увеличения информативности гидроакустических каналов, более тщательного учета закономерностей распространения звука в океане, совершенствования методов обработки гидроакустической информации, а также разработки оригинальных методов гидроакустического позиционирования [44, 45, 52, 57, 58, 59].

Основная часть существующих ГАНС ориентирована на решение прикладных инженерно-технических задач в условиях океана, таких как картографирование донной поверхности, позиционирование подводных аппаратов, обследование и обустройство площадок для установки морских буровых платформ, обеспечение процесса бурения дна океана, проведение поисковых и аварийно-спасательных операции на дне океана и т.п. [6, 17, 25, 42].

Задачи всестороннего исследования Мирового Океана выдвигают ряд особых требований к параметрам ГАНС, в частности таких, как комплексность, повышенная надежность и высокая точность системы [1, 19, 28, 29, 31, 32, 51, 54]. Океанологические исследования методологически основываются на использовании широкого спектра аппаратуры - буксируемых, телеуправляемых и обитаемых подводных аппаратов, автоматических зондов и роботов, стационарных донных обсерваторий, водолазных гипербарических комплексов и т.п. Все эти средства требуют достаточно точного и надежного навигационного обеспечения в рамках единой системы, установленной на исследуемом полигоне и обеспечивающей непрерывное определение местоположения судна и перечисленных технических средств

3, 5, 8, 11, 15, 33]. Именно эти требования и обуславливают специфику ГАНС для научных исследований океана.

Задача практической разработки и исследования комплексной высоконадежной ГАНС особенно актуальна для обеспечения научных исследований Мирового Океана, проводимых в Институте океанологии РАН.

В этой связи целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование принципов построения гидроакустической навигационной системы для высоконадежной и высокоточной навигации комплекса технических средств исследования Мирового Океана, а также ее техническая реализация.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Проводится анализ требований к навигационному обеспечению комплекса технических средств подводных исследований и на его основе определяются исходные параметры ГАНС.

2. На основе этого анализа разрабатывается структура и технические принципы построения комплексной высоконадежной ГАНС.

3. Адаптируются существующие и разрабатываются новые аналитические, алгоритмические и программные решения, обеспечивающие требуемые надежность и точность ГАНС в условиях комплексного ее применения.

4. Создаются конструкции и разрабатываются схемотехнические решения для практической реализации комплексной высоконадежной ГАНС.

5. Исследуется работа комплексной высоконадежной ГАНС в лабораторных и натурных условиях при одновременном использовании на полигоне максимума технических средств подводных исследований.

В настоящей работе получены следующие новые результаты:

1. Разработаны требования к параметрам и определена структура комплексной высоконадежной ГАНС, предназначенной для работ на крупномасштабном полигоне с различными видами подводной техники.

2. Исследовано влияние шумовых помех на надежность работы ГАНС и разработаны алгоритмы и технические решения, обеспечивающие высокую помехозащищенность в условиях крупномасштабного полигона.

3. Разработаны методы и алгоритмы решения математических аспектов гидроакустической навигации для комплексной высоконадежной ГАНС.

4. Разработаны алгоритмические, программные и технологические подходы к повышению надежности и точности навигации в условиях комплексного применения подводных аппаратов на крупномасштабном полигоне.

5. Технически реализована на практике комплексная ГАНС повышенной надежности для крупномасштабного полигона.

Практическая ценность настоящей работы заключается в следующем.

1. Получена методологическая основа построения комплексной системы гидроакустической навигации для работы на крупномасштабном полигоне.

2. Созданы алгоритмические, программные и технологические решения, обеспечивающие высокую надежность и точность навигации в условиях комплексных полигонных исследований в океане.

3. Разработаны конструкторские и схемотехнические решения элементов и систем ГАНС на основе оригинальных инженерных подходов.

4. Создана комплексная высоконадежная ГАНС для обеспечения всесторонних исследований Мирового Океана.

Фактические материалы получены в результате исследования элементов и систем ГАНС, привлечения экспериментальных данных отечественных и зарубежных авторов, экспедиционных исследований и опытной эксплуатации созданной ГАНС при комплексных полигонных работах в 17 рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш».

Все результаты диссертационной работы получены автором лично и в соавторстве с сотрудниками ОКБ океанологической техники РАН. Автор осуществил сбор, обработку и анализ существующих материалов, разработал математические аспекты гидроакустической навигации, создал алгоритмы повышения надежности и точности ГАНС, предложил конструкторские решения элементов ГАНС, участвовал в их создании, разработал методики калибровки и испытаний ГАНС и провел их в лабораторных и морских условиях крупномасштабного полигона.

Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно обсуждались на Научно-технических советах ОКБ Океанологической Техники РАН, семинарах Лабораторий телеуправляемых подводных аппаратов и роботов, гидролокации дна, заседании Ученого Совета физико-технического сектора Института Океанологии РАН, а также докладывались на Всесоюзной школе по техническим средствам исследований океана (1991 г.), Международных научно-технических конференциях «Современные методы и средства океанологических исследований МСОИ-98, МСОИ-99 и МСОИ-2000.

По теме диссертации и смежным вопросам опубликовано 20 работ, включая научные статьи, зарубежные публикации, доклады на конференциях и отчеты по научно-исследовательским работам.

Основные защищаемые положения диссертационной работы формулируются как:

1. Принципы построения комплексной высоконадежной ГАНС для крупномасштабного полигона.

2. Алгоритмические методы и инженерно-технические решения повышения интегрированное™, надежности и точности ГАНС.

3. Конструкторские, схемотехнические и технологические решения для практической реализации комплексной высоконадежной ГАНС.

4. Решения аналитических задач навигации применительно к комплексной высоконадежной ГАНС для крупномасштабного полигона.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы. Во введении обосновывается актуальность исследуемой темы, формулируются цель и задачи работы, обосновываются ее научная новизна и практическая значимость, приводятся сведения о фактическом материале и апробации диссертационной работы, описывается лич

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Парамонов, Александр Александрович

Основные результаты диссертационной работы.

1. Проведен подробный анализ существующих систем гидроакустической навигации, который выявил их современное состояние и перспективы дальнейшего развития.

2. Проанализирована специфика применения различных типов подводных аппаратов при проведении комплексных полигонных исследований и показано, что она позволяет получить исчерпывающий научный результат.

3. Показано, что несмотря на многообразие существующих ГАНС, комплексные научные исследования полигонов требуют применения новой системы с высокой интегрированностью и повышенной надежностью.

4. Разработаны принципы построения и практической реализации комплексной высоконадежной ГАНС.

5. Разработаны и обоснованы требования к параметрам комплексной высоконадежной ГАНС, предназначенной для работы на крупномасштабных полигонах, на основании которых определена ее структура.

6. Решены актуальные математические аспекты гидроакустической навигации и повышения ее надежности, а также разработаны методы и алгоритмы их практической реализации.

7. Детально проанализировано влияние шумовых помех на надежность работы ГАНС и разработаны оригинальные алгоритмы и технические решения для улучшения помехоустойчивости в условиях крупномасштабного полигона.

8. Разработаны алгоритмические, программные и технологические подходы к повышению надежности и точности навигации в условиях комплексных полигонных исследований в океане.

9. Разработаны и реализованы на практике схемотехнические, конструкционные и технологические решения комплексной ГАНС и ее элементов на основе оригинальных инженерных подходов.

10. Проведены успешные испытания созданной ГАНС в натурных условиях в Черном море, на глубоководном крупномасштабном полигоне при комплексном применении подводных аппаратов в 17 рейс НИС «Академик Мстислав Келдыш», а также на полигоне в Индийском океане.

Основные защищаемые положения.

1. Принципы построения комплексной высоконадежной ГАНС для крупномасштабного полигона.

2. Алгоритмические методы и инженерно-технические решения повышения интегрированности, надежности и точности ГАНС.

3. Конструкторские, схемотехнические и технологические решения для практической реализации комплексной высоконадежной ГАНС.

4. Решения аналитических задач навигации применительно к комплексной высоконадежной ГАНС для крупномасштабного полигона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключение сформулированы основные результаты диссертационной работы, приведены основные защищаемые положения, представлен список научных трудов, опубликованных по ее теме и смежным вопросам, а также выражаются благодарности специалистам, содействовавшим выполнению работы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Парамонов, Александр Александрович, Москва

1. Варгашкин А.И., Курьянов Б.Ф., Лукашев В.Д., Никифоров В.Д., Парамонов А.А.Б Тимашкевич Г.К. Деревнин Ю.А. Автономная донная станция. // Материалы всесоюзной школы «Технические средства и методы исследований мирового океана». Москва, ИОРАН, 1987.

2. Афанасьев В.Н., Парамонов А.А. и др. Разработка гидроакустической навигационной системы. // Отчет по НИР. Москва, ВИНИТИ, 1989.

3. Afanasiev V.N., Nafikov W.N., Paramonov А.А., Russak Y.S. Hydroacoustic navigation system. // Technical conference on ocean and marine engineering, shipbuilding and marine technology «Black-Sea 90». Bulgaria, Varna, 1990.

4. Гольдфельд Г.Б., Заферман B.M., Малыхин H.A., Парамонов А.А., Ре-вич Ю.В., Шувалов Д.В. Технические средства экомониторинга: автономные буйковые гидрофизические станции. // Научно-технические аспекты окружающей среды, 1997, №6, С.8-13.

5. Kovchin I.S., Levchenko D.G., Paramonov A.A., Utyakov L.L., Shakhra-manian M.A. New generation of technical means and methods for ocean monitoring systems. // Marine technology society. Oceans' 99 MTS/EEE, Siat-tle, 1999.

6. Афанасьев В.Н., Парамонов А.А., Сторожев П.П. Гидроакустическая навигационная система ГАНС-М. // Материалы VI Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-2000). М.: ИОРАН, 2000.

7. Афанасьев В.Н., Парамонов А.А. и др. Разработка гидроакустической навигационной системы. Отчет по НИР. Москва, ВИНИТИ, 1989.

8. Афанасьев В.Н., Парамонов А.А., Сторожев П.П. «Гидроакустическая навигационная система ГАНС-М» Материалы VI Международной научно-техническая конференции «Современные методы и средства океанологических исследований». Москва, ИОРАН, 2000.

9. Бородин В. И., Смирнов Г.Е., Толстяков Н. Л.,. Яковлев Г. В. Гидроакустические навигационные средства. Ленинград, Судостроение, 1983.

10. Бреховских Л.М., Воловов В.И., Краснобородько В.В., Лысанов Ю.П. Об акустических методах в морской навигации. Акустический журнал, 1989, Том 35, No 3, с.413-419.

11. Варгашкин А.И., Курьянов Б.Ф., Лукашев В.Д., Никифоров В.Д., Парамонов А.А., Тимашкевич Г.К., Деревнин Ю.А. Автономная донная станция» Материалы Всесоюзной школы «Технические средства и методы исследований мирового океана». Москва, ИОРАН, 1987.

12. Воловов В.И., Клюев М.С. Определение параметров горизонтального движения судна акустическим методом. Океанология, 1994, т.34, No2, с.299-302.

13. Воловов В.И., Клюев М.С. Точность измерения малого смещения судна и отслеживания его траектории акустическим методом. Акустический журнал, 1995, т. 41, No 1, с. 72-76.

14. Гольдфельд Г.Б., Заферман В.М., Малыхин Н.А., Парамонов А.А., Ре-вич Ю.В., Шувалов Д.В. Технические средства экомониторинга: автономные буйковые гидрофизические станции. Научно-технические аспекты окружающей среды, 1997, No6, с.8-13.

15. Гольдфельд Г.Б., Заферман В.М., Малыхин Н.А., Парамонов А.А., Смалыгин Н. Оптимизация планирования экспериментальных исследований крупномасштабных волновых явлений в аэрогидросфере Земли.

16. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов, ВИНИТИ, 1998, Nol, с.40-43.

17. Гуткин JI.C. Теория оптимальных методов радиоприема при флюктуа-ционных помехах. М., Сов. радио, 1972.

18. Диксон Р.К. Широкополосные системы. М., Связь, 1970.

19. Дмитриев С.П. Высокоточная морская навигация. Судостроение, Санкт-Петербург, 1991.

20. Евтютов А.П., Колесников А. Е., Корепин Е.А. и др. Справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1988.

21. Клещев А.А., Клюкин И.И. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1987.

22. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. JL, Судостроение, 1982.

23. Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции. JT., Судостроение, 1982.

24. Кузмичев О.Б. Использование гидроакустических многофункциональных маяков-ответчиков для обеспечения работ на шельфе. Судостроение за рубежом, 1984, №5, с.70-79.

25. Ледин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов М., Сов. Радио, 1969.

26. Милн А. Подводные инженерные исследования, Л. Судостроение, 1984.

27. Монин А.С., Коменкович В.М., Корт В.Г. Изменчивость мирового океана, Л, Гидрометеоиздат, 1974.

28. Остроухов А.А., Толстякова Н.А. Использование гидроакустических средств для обеспечения глубоководных работ в океане. Судостроение за рубежом, 1982, №8, с. 30-37.

29. Парамонов А.А. Сторожев П.П. Система мониторинга подводного трубопровода. Материалы VI Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований». Москва, ИОРАН, 2000.

30. Парамонов А.А. Сторожев П.П. Телефото-комплекс для глубоководного обитаемого аппарата «КОНСУЛ. Материалы VI Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований». Москва, ИОРАН, 2000.

31. Петрович Н.Т., Размахин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М., Сов. Радио, 1968.

32. Принципы построения технических средств исследования океана. Под редакцией д.т.н. Ястребова B.C. Москва, Наука, 1982.

33. Семенов A.M., Сикарев Л.А. Широкополосная радиосвязь. 1970.

34. Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А. Гидроакустические маяки. Судостроение за рубежом, 1979, №6, с. 66-76.

35. Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Остроухов А.А. Гидроакустические средства обеспечения нефтедобычи в море. Судостроение за рубежом, 1980, №2, с. 17-28.

36. Тарасюк Ю. Ф. Гидроакустическое телеуправление. Л., Судостроение, 1985.

37. Тарасюк Ю.Ф. Гидроакустическая телеметрия. Л., Судостроение, 1985.

38. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978.

39. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. Иностранная литература, 1963.

40. Acoustic Positioning Systems (EdgeTech). Underwater, Association of diving contractors magazine, winter 1998.

41. Acoustic Positioning Beacons (Applied Acoustic Engineering). Sea Technology, February 2000, Volume 41, No. 2.

42. Afanasiev V.N., Nafikov W.N., Paramonov A.A., Russak Y.S. Hydroacous-tic navigation system. Technical conference on ocean and marine engineering, shipbuilding and marine technology, "Black-Sea 90". Varna, Bulgaria, 1990.

43. Baggeroer A.B. Acoustic telemetry an overview. IEEE journal of oceanic engineering, 1984, v.9, N4, pp. 229-235.

44. Mc Cartney B.S. Underwater acoustic positioning systems: state of the art and applications in deep water. International Hydrographic review, 1981, v.58,N 1. p. 91-105.

45. Christensen I.L. LBL-NAV: An acoustic transponder navigation system. "Ocean'79", 1979, pp. 507-512, USA, Wa, New York.

46. Currier R., Beidberg D.R. An acoustic sub-sea navigation system. "Ocean'81", 1981, v.l, pp. 1175-1179, USA,N.Y.

47. Dmitrievsky A.N., Lobkovsky L.I., Ledenev V.V., Paramonov A.A., Zhukov V.V. New techological approach to environment protection during reconnaissance production, construction of marine oil & gas objects. 16th World Petroleum Congress, 2000, Calgary.

48. Electronic Navigation for Support Vessel. Sea Technology, March 1999, Volume 40, No. 3.

49. Honeywell, RS/900. The acoustic position indicator that you can depend on for every offshore application. Technical bulletin, No4, 1983.

50. Kovchin I.S. Levchenko D.G., Paramonov A.A., Utyakov L.L., Shakhrama-nian M.A. New generation of technical means and methods for ocean monitoring systems. Marine technology society, Siattle, 1999, Oceans' 99 MTS/EEE.

51. Milne P.H. Correlation of surface and underwater position fixing techniques. International Hydro graphic Review, 1981, v. 58,N1, p. 77-89.

52. Newman R.V. The status of underwater acoustic positioning. Offshore services and technology, 1981, v. 14, N7, p.32-36.

53. NRL,s Improved Multibeam System on ORCA. Sea Technology, March 1999, Volume 40No3.

54. Underwater vehicle positioning with correlation sonar. Sea Technology, March 1999, Volume 40, No 3.

55. U.S Navy UUV Navigation. Sea Technology, January 1996, Volume 37, No.l.

56. Каталог фирмы "Mors Environment" (Франция), 2000.

57. Каталог фирмы "Sonardine Inc" (США), 2000.

58. Каталог фирмы "Sonatech" (США), 2000.

59. Каталог фирмы "Oceano Instruments" (Великобритания), 2000.

60. Каталог фирмы "Marine electronics " (Великобритания), 2000.

61. Каталог фирмы "Edge Tech" (США), 2000.

62. Каталог фирмы "Aquadine" (Норвегия), 2000.

63. Каталог фирмы "Applied Acoustic Engineering" (Великобритания), 2000.

64. Каталог фирмы "ORE Offshore Division" (США), 2000.

65. Каталог фирмы "Benthos" (США), 2000.

66. Каталог фирмы "Ifremer" (Франция), 2000.

67. Каталог фирмы "STN Atlas Marine Electronic" (Германия), 2000.

68. Каталог фирмы "Orca Instrumentation" (Франция), 2000.

69. Режим 1. Ввод основных параметров ГАНС.

70. Также в данном режиме требуется установить опцию функционирования ГАНС: с GPS, без GPS;

71. Все вводимые данные заносятся в базу данных GANS.mdb формата Microsoft Access-97.

72. Режим 2. Ввод предварительных координат маяков-ответчиков.

73. Режим 3. Измерение наклонных дальностей для калибровки полигона.

74. В данном режиме происходит непрерывное измерение наклонных дальностей до маяков ответчиков при движении судна по полигону. Блок схема алгоритма представлена ниже.1. СТАРТ 1. У г

75. Проверка состояния контроллера судового блока1 11. ВЫХОД

76. Визуализация координат маяков на экране

77. Взятие текущих координат и скорости с GPS. Визуализация положения судна на экране.

78. Расчет грубых координат положения судна.1 г

79. Расчет временных ворот для сигналов задержки от маяков-ответчиков.

80. Передача временных ворот в контроллер судового блока.

81. Команда старт в контроллер судового блока.

82. Прием временных задержек от контроллера судового блока.

83. Вычисление наклонных дальностей и отображение результатов на экране.

84. Запись результатов измерений в базу данных GANS.mdb.

85. Проверка условия на завершение работы в режиме.1 г1. ВЫХОД

86. Режим 4. Расчет точных абсолютных координат маяков. Расчет точной матрицы перехода. Расчет точных относительных координат маяков-ответчиков.1. СТАРТ i Г

87. Анализ базы данных по измерению наклонных дальностей в режиме 3. Подготовка нескольких выборок по 3 положения судна для расчета точных абсолютных координат маяков.

88. Расчет точных абсолютных координат маяков с усреднением по количеству выборок.

89. Расчет точной матрицы перехода из геоцентрической СК в

90. Запись результатов в базу данных GANS.mdb

91. Цикл For.Next по выборкам из 6 положении судна

92. Выборка очередной серии измерений из 6 положений судна для 3 базовых маяков.

93. Расчет вектора скорости в относительной СК полигона.1 г

94. Решение системы нелинейных уравнений методом Ньютона-Кантоэовича для 6 положений судна и 3 маяков.1 Г