Фещенко Я.В. «Определение оптимальной средней частоты поиска пассивного нелинейного гидроакустического маркера-отражателя» Экологические системы и приборы, № 7, с. 18-26 (2023)

В настоящее время подводные маркеры используются в различных областях: в системах навигации и позиционирования, в морских исследованиях, в оборонном секторе, в водолазном оборудовании, подводной археологии и д.р. Цель их использования – определение местоположения подводных объектов. Анализ существующих маркеров показал невозможность их универсального и эффективного использования для решения данных задач из-за наличия существенных недостатков, таких как: ограниченный срок службы; нескрытый режим работы; дороговизна и сложность в производстве; небезопасность для экологии. С целью создания устройства, способного решить эти недостатки была математически выведена формула зависимости оптимальной частоты зондирующего сигнала гидролокатора от расстояния до пассивного нелинейного маркера с учетом потерь в водной среде. Для этого исследовалась математическая модель процесса формирования сигнала. Было рассмотрено полное уравнение величины принимаемого сигнала от гидроакустического маркера-отражателя, обеспечивающего его обнаружение поисковым гидролокатором. Вследствие неустранимого разрыва первого рода из-за наличия двух разных эмпирических формул поиска коэффициента затухания для разных частот были выведены зависимости для трех разных случаев, а также описан общий алгоритм нахождения оптимальной частоты для конкретных значений коэффициента преобразования и расстояния между гидролокатором и нелинейным маркером-отражателем. На основе полученных формул построены графики зависимостей, которые показали, что наибольшее влияние на величину плотности потока мощности сигнала оказывают требуемая дальность и размеры апертур гидроакустических антенн. Ключевые слова: гидроакустика, нелинейный эффект, коэффициент затухания, оптимальная частота. DOI: 10.25791/esip.7.2023.1384

Юхимец Д.А., Губанков А.С. «Навигационная система автономного подводного аппарата на основе данных, передаваемых по акустическому каналу от гидроакустической станции» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 1, с. 227-240 (2023)

Предложен метод построения навигационной системы автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), использующей ограниченный набор бортовых датчиков и принимающей данные о положении АНПА по акустическим каналам связи от гидроакустической станции освещения подводной обстановки (ГАСО). Предложенный метод формирует оценки положения и скоростей АНПА на основе его динамической модели в предположении, что угловые скорости, углы ориентации и глубина АНПА определяются с помощью его бортовых датчиков. Линейные скорости непосредственно не измеряются. Для реализации навигационного алгоритма используется фильтр Калмана. При этом особенность этого алгоритма заключается в реализации двухступенчатой процедуры коррекции оценок координат и линейных скоростей АНПА, полученных на основе его динамической модели. Указанная коррекция осуществляется в двух вариантах в зависимости от того, какие данные доступны на текущем шаге работы системы. Первый вариант предполагает коррекцию указанных оценок только на основе данных от датчика глубины, обновление которых происходит на каждом шаге работы системы. А второй вариант используется, когда приходят данные от ГАСО по акустическим каналам связи. Эти данные приходят с задержкой из-за ограниченной скорости распространения акустических сигналов в водной среда, а также могут периодически могут искажаться и пропадать. В работе предложен метод компенсации указанных задержек, за счет сохранения массива ранее рассчитанных данных и оценки необходимых поправок за счет сравнения пришедших данных с оценками, полученными ранее. Предложенная схема построения навигационной системы позволяет обеспечить коррекцию ее показаний в условиях нерегулярного обновления данных от ГАСО. Результаты моделирования с использованием модели, описывающей все основные особенности работы ГАСО и ее взаимодействия с АНПА (задержки в получении информации, наличие шумов измерений и дискретизация данных ГАСО) показали достаточно высокую эффективность предложенного решения. При этом в качестве основного преимущества можно указать возможность использования минимального количества бортовых датчиков и возможность быстрого развертывания ГАСО для взаимодействия с АНПА.

Грузликов А.М., Караулов В.Г., Мухин Д.А., Шалаев Н.А. «Результаты апробации алгоритма позиционирования и определения ориентации подводного аппарата по данным от гидроакустических маяков» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 1, с. 265-274 (2023)

Статья посвящена вопросу определения координат и углов ориентации автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) относительно стационарной посадочной платформы с использованием высокочастотной гидроакустической системы ближнего радиуса действия. Задача навигации предполагает маневрирование аппарата и приближение к подводной станции, что сопряжено с формированием зон с различной акустической видимостью излучателей станции приёмными элементами аппарата. Можно выделить три зоны акустической видимости. Первая зона характеризуется наблюдением сигналов всех маяков подводной станции. Как следствие, данная зона является наиболее информативной для решения задачи позиционирования и определения ориентации АНПА. Вторая зона соответствует частичному сокращению числа наблюдаемых маяков, не оказывающему критического влияния на возможность решения задачи. Третья зона (посадка) определяется существенным сокращением числа наблюдаемых маяков, что, как следствие, значительно затрудняет решение задачи позиционирования, учитывая повышенные требования по точности в момент посадки аппарата, обусловленные обеспечением безопасности. Для сохранения точности позиционирования и определения ориентации подводного аппарата в зоне посадки, предлагается использовать результаты, полученные на ранних этапах приближения аппарата к подводной станции (первая и вторая зоны). В работе приводится математическая постановка задачи, описан алгоритм её решения. При нахождении АНПА в первой и второй зоне алгоритм решения состоит из двух подзадач. Первая подзадача – грубая оценка окрестности местоположения и углов ориентации аппарата с использованием метода K-ближайших соседей; вторая подзадача – уточнение оценок с использованием псевдодальномерного метода путём решения системы алгебраических уравнений с использованием алгоритма Левенберга–Марквардта. Дополнительно осуществляется оценка времени излучения маяками. При нахождении АНПА в третьей зоне алгоритм сводится к решению системы алгебраических уравнений с использованием прогноза времени излучения сигнала маяком, полученного при нахождении аппарата в зонах один и два. Приведены результаты имитационного моделирования и результаты апробации алгоритма, полученные с использованием макета аппарата и макета подводной станции в испытательном бассейне.

Ермолаев Э.В., Махов В.И. «Малогабаритная гидроакустическая антенна подводного аппарата» Морские интеллектуальные технологии, 2, № 2-2, с. 111-114 (2022)

Предлагается малогабаритная гидроакустическая антенна, предназначенная для использования на подводном аппарате. Антенна выполнена в виде концентрической трёхкольцевой дискретной антенны, при этом площадь, занимаемая ею на подводном аппарате, меньше, чем в случае применения линейной антенны, кроме того, характеристика направленности (ХН) её близка к осесимметричной, что важно в ряде практических применений. Целью работы был расчёт ХН по известным выражениям при различных амплитудных распределениях (равномерное, треугольное, Хэмминга, Блэкмана) возбуждения элементов, расположенных на кольцах антенны, и выбор оптимального варианта. В качестве элементов антенны применены трёхсекционные стержневые преобразователи асимметричной, обеспечивающей широкополосность преобразователя, конструкции. Расчёт ХН выполнен для средней частоты широкого диапазона частот, приведены графики рассчитанных ХН при заданных распределениях. Известны результаты работы, где показано, что при большом количестве колец (10 колец, 320 элементов в антенне) уменьшение амплитуды возбуждения колец от центрального к периферийному кольцу приводит к тому, что основной лепесток ХН несколько расширяется и уменьшаются боковые лепестки. В данной работе показано, что при малом числе колец (3 кольца) такой эффект не наблюдается, и этот результат объясняется с применением теоремы смещения. Оптимальным из рассмотренных амплитудных распределений для данной трёхкольцевой концентрической антенны является равномерное амплитудное распределение, при котором антенна имеет наиболее узкий лепесток ХН и меньший уровень боковых лепестков. Ключевые слова: гидроакустическая антенна, концентрическая трёхкольцевая антенна, характеристика направленности, боковые лепестки, ширина основного лепестка, амплитудное распределение.