Доплеровский лаг для подводных аппаратов
Приводятся основные характеристики лага универсального доплеровского ЛДУ-160, предназначенного для установки на подводных аппаратах (ПА), рассматриваются составляющие погрешности измерения скорости, связанные с особенностью эксплуатации лага на ПА. Дана сравнительная оценка ЛДУ-160 с серийно выпуска...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19195 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Доплеровский лаг для подводных аппаратов / Б.В. Карпухин, А.П .Мартынюк, В.И. Простомолотов // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2007. — № 4. — С. 60-66. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-19195 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-191952011-04-23T12:04:30Z Доплеровский лаг для подводных аппаратов Карпухин, Б.В. Мартынюк, А.П. Простомолотов, В.И. Приводятся основные характеристики лага универсального доплеровского ЛДУ-160, предназначенного для установки на подводных аппаратах (ПА), рассматриваются составляющие погрешности измерения скорости, связанные с особенностью эксплуатации лага на ПА. Дана сравнительная оценка ЛДУ-160 с серийно выпускаемыми лагами для ПА. Наведено основні характеристики лагу універсального доплерівського ЛДУ – 160, призначеного для встановлення на підводних апаратах (ПА), розглядаються складові похибки виміру швидкості, що зв’язані з особливістю експлуатації лагу на ПА. Дана порівняльна оцінка ЛДУ-160 з лагами, що серійно випускаються для ПА. The basic characteristics of universal doppler log, intended for installation on underwater devices, are given, components of speeds measurement error connected with feature of log operation on underwater devices are examined. A comparative appreciation of LDU-160 with serial produced logs for underwater devices is given. 2007 Article Доплеровский лаг для подводных аппаратов / Б.В. Карпухин, А.П .Мартынюк, В.И. Простомолотов // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2007. — № 4. — С. 60-66. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1815-8277 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19195 629.12.053:681.883.482 ru Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Приводятся основные характеристики лага универсального доплеровского ЛДУ-160, предназначенного для установки на подводных аппаратах (ПА), рассматриваются составляющие погрешности измерения скорости, связанные с особенностью эксплуатации лага на ПА. Дана сравнительная оценка ЛДУ-160 с серийно выпускаемыми лагами для ПА. |
| format |
Article |
| author |
Карпухин, Б.В. Мартынюк, А.П. Простомолотов, В.И. |
| spellingShingle |
Карпухин, Б.В. Мартынюк, А.П. Простомолотов, В.И. Доплеровский лаг для подводных аппаратов Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| author_facet |
Карпухин, Б.В. Мартынюк, А.П. Простомолотов, В.И. |
| author_sort |
Карпухин, Б.В. |
| title |
Доплеровский лаг для подводных аппаратов |
| title_short |
Доплеровский лаг для подводных аппаратов |
| title_full |
Доплеровский лаг для подводных аппаратов |
| title_fullStr |
Доплеровский лаг для подводных аппаратов |
| title_full_unstemmed |
Доплеровский лаг для подводных аппаратов |
| title_sort |
доплеровский лаг для подводных аппаратов |
| publisher |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України |
| publishDate |
2007 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/19195 |
| citation_txt |
Доплеровский лаг для подводных аппаратов / Б.В. Карпухин, А.П .Мартынюк, В.И. Простомолотов // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2007. — № 4. — С. 60-66. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| work_keys_str_mv |
AT karpuhinbv doplerovskijlagdlâpodvodnyhapparatov AT martynûkap doplerovskijlagdlâpodvodnyhapparatov AT prostomolotovvi doplerovskijlagdlâpodvodnyhapparatov |
| first_indexed |
2025-07-02T20:05:54Z |
| last_indexed |
2025-07-02T20:05:54Z |
| _version_ |
1836566975618220032 |
| fulltext |
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4)
60
УДК 629.12.053:681.883.482
ДОПЛЕРОВСКИЙ ЛАГ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
© Б.В. Карпухин, А.П .Мартынюк, В.И. Простомолотов, 2007
ООО «MARPRO-GRUP», г.Бэлць, Республика Молдова
Наведено основні характеристики лагу універсального доплерівського ЛДУ – 160, призначеного для
встановлення на підводних апаратах (ПА), розглядаються складові похибки виміру швидкості, що зв’язані з
особливістю експлуатації лагу на ПА. Дана порівняльна оцінка ЛДУ-160 з лагами, що серійно випускаються
для ПА.
Приводятся основные характеристики лага универсального доплеровского ЛДУ-160, предназначенного
для установки на подводных аппаратах (ПА), рассматриваются составляющие погрешности измерения
скорости, связанные с особенностью эксплуатации лага на ПА. Дана сравнительная оценка ЛДУ-160 с серийно
выпускаемыми лагами для ПА.
The basic characteristics of universal doppler log, intended for installation on underwater devices, are given,
components of speeds measurement error connected with feature of log operation on underwater devices are examined.
A comparative appreciation of LDU-160 with serial produced logs for underwater devices is given.
ПОДВОДНЫЕ АППАРАТЫ, ДОПЛЕРОВСКИЙ ЛАГ, ТЕХНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ, ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ, АВТОНОМНОСТЬ
Научные исследования океана, его дна, промышленная разработка шельфа и более
глубоких районов океана, прокладка трубопроводов, выполнение спасательных работ не
могут обойтись без использования глубоководных обитаемых и необитаемых подводных
аппаратов (ПА).
Современные ПА оснащаются навигационными комплексами, в которых информация
отдельных подсистем интегрируется с целью повышения надежности и точности навигации.
Одним из важных средств навигации ПА является доплеровский лаг.
К аппаратуре, размещаемой на ПА, предъявляются, как правило, следующие
требования:
– автономность функционирования;
– способность адаптироваться к непрерывно меняющимся внешним условиям;
– сопрягаемость с другими подсистемами, а также малые массогабаритные
характеристики, энергопотребление и рассеиваемая мощность.
Всем перечисленным требованиям удовлетворяет лаг доплеровский универсальный
ЛДУ-160 (рис. 1), который является адаптивной системой, осуществляющей в
изменяющихся внешних условиях автоматический поиск, обнаружение и сопровождение
сигнала [1].
Лаг работает в импульсном режиме и обеспечивает выполнение следующих функций:
– измерение продольной и поперечной составляющей вектора абсолютной скорости в
корабельной системе координат при глубинах от 3 до 160 м;
– измерение составляющих вектора относительной скорости при глубинах
более 160 м;
– вычисление и отображение составляющих вектора пройденного расстояния;
– определение глубины моря под антенной путем пересчета наклонных дальностей по
лучам характеристики направленности (ХН) антенны;
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4)
61
– информационная связь с потребителем осуществляется по интерфейсу RS-422, по
которому передается информация о составляющих вектора скорости и ее достоверности,
информация о пройденном расстоянии, глубине и состоянии изделия.
а
1
2
б
Рис. 1 – Лаг доплеровский универсальный ЛДУ-160 для глубоководных аппаратов, подводных лодок и
надводных судов: а – прибор 16, б – прибор 1А (1 – вид сверху, 2 – вид снизу)
Основные технические характеристики лага ЛДУ-160:
Диапазон измеряемых скоростей, уз.:
– продольная –5 ÷ 35;
– поперечная –5 ÷ + 5;
Среднеквадратическая погрешность (СКП) измерения абсолютной и относительной
скоростей (в условиях качки менее 3°, вертикальной составляющей вектора скорости менее
0,3 м/с, времени осреднения 64 с):
±0,03 уз. при скорости до 10 уз.;
±0,3% при скорости более 10 уз.
Напряжение электропитания 27±3 В
Максимальная потребляемая мощность не более 65 ВА
Базовый состав изделия:
– прибор 16 (комбинированный прибор), 1 шт., габариты (240х150х320) мм,
масса 9,5 кг;
– прибор 1А (гидроакустическая антенна), 1 шт., габариты (290х200х102,5) мм,
масса 22,0 кг (с учетом массы кабеля).
Автономность лага обеспечивается алгоритмами функционирования, в которых
длительность, период следования импульсов излучения и длительность измеряемой части
эхо-сигналов являются функциями глубины, а уровень излучаемого сигнала и коэффициент
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4)
62
2 2 2
,
11,2 2,8cos 5,6
см
cм
V H
V tg
ε α β α αδ
θ θ
∆ ∆ ∆ ∆= = − + +
усиления приемного тракта являются функциями уровня эхо-сигнала, при этом диапазон
регулирования мощности излучения составляет 40 дБ, коэффициента усиления – 60 дБ.
Применение современной элементной базы (многофункциональный контроллер,
программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), элементы силовой электроники)
позволило реализовать названные функции лага только тремя электронными модулями,
повысить надежность лага и реализовать высокоэффективные методы управления и
обработки сигналов при значительном снижении массогабаритных характеристик и
потребляемой мощности.
Импульсный режим излучения позволил применить одну приемо-излучающую
гидроакустическую антенну и снизить массу и габариты аппаратуры.
Измерение частоты производится во временной области, с набором статистики и
последующей селекцией аномальных измерений.
Это позволило снизить требования по ограничению минимальной длительности
излучаемых сигналов и производить измерения с указанными погрешностями при глубинах
три и менее метров.
Выбор режима "относительно дна" или "относительно воды" осуществляется
автоматически или вручную, управляющие команды поступают по интерфейсу RS-422 от
потребителя.
В структуре погрешности измерения скорости доплеровских лагов, как известно,
присутствуют три типа составляющих погрешности:
– флуктуационные (уменьшаются путем осреднения на интервале времени Т0);
– систематические (уменьшаются путем ввода поправочных коэффициентов);
– квазисистематические.
Одной из главных причин квазисистематической погрешности является деформация
огибающей спектра эхо-сигнала, возникающая на трассе распространения сигнала до дна и
обратно. Физическая сущность погрешности заключается в том, что из-за конечной ширины
ХН антенны лага энергия эхо-сигнала оказывается распределенной в пределах
доплеровского спектра частот. Поскольку потери энергии сигналов, распространяющихся в
пределах луча ХН до дна и обратно под разными углами, различны в силу различия в
протяженности трассы распространения сигнала, угловой зависимости коэффициента
обратного донного рассеивания, огибающая доплеровского спектра деформируется и
смещается в область низких частот.
Выражение, характеризующее взаимосвязь относительной погрешности измерения
скорости δсм, обусловленной деформацией доплеровского спектра, с параметрами
аппаратуры гидроакустического лага и параметрами морской среды имеет вид [2]:
где V – скорость судна;
ε – параметр, определяющий угловую зависимость рассеяния от дна в обратном
направлении µ(θ), заданную в пределах раствора ХН в виде экспоненты;
∆α – ширина раствора ХН на уровне – 3 дБ;
(1)
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4)
63
θ – угол наклона оси ХН к вертикали, θ =θ0 ±αk , θ0 – номинальный угол наклона,
αk – угол статического крена;
β – коэффициент пространственного затухания;
Н – глубина под килем судна.
На рис. 2 приведена зависимость погрешности δсм от глубины под килем, рабочей
частоты лага, угла наклона ХН и угла статического крена αk.
Рис. 2
Поскольку на ПА чаще всего используются лаги с малогабаритными антеннами с
рабочими частотами более 100 кГц, то, как видно из графика, погрешность на глубине 160 м
будет составлять более 0,28 %.
Известные способы борьбы с ошибкой смещения, заключающиеся, например, в
сопровождении доплеровского спектра эхо-сигнала в нуле разностной ХН, в силу сложности
не нашли применение на практике. Синтез устойчивых оценок положения спектра сигнала,
инвариантных по отношению к форме огибающей спектра, затруднителен в силу отсутствия
репрезентативной информации о спектральных характеристиках эхо-сигналов от различных
грунтов и условий плавания.
Важно отметить, что указанная погрешность в серийно выпускаемых лагах не
компенсируется, а поскольку погрешность носит квазисистематический характер, то ее
влияние на счисление навигационных параметров значительно.
Поскольку в ЛДУ-160 реализован алгоритм определения глубины путем пересчета
наклонных дальностей по четырем лучам ХН, то, принимая во внимание (1), снижение
погрешности δсм производится с использованием корректировки скорости по следующей
формуле:
Н, м
0
-0,2
-0,4
-1
-1,4
-1,2
-0,8
-0,6
-1,6
50 100 150 200 250 300 400 350 0
δсм,%
θ0=30°, αk=4°
–0,13462
θ=θ0+αk
θ=θ0
θ=θ0–αk
f=100 кГц
f=256 кГц
f=400 кГц
f=600 кГц
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4)
64
(2)
где Vист, Vизм – истинное и измеренное значение скорости соответственно;
Ни – значение глубины, определяемое лагом.
Погрешность измерения скорости при использовании (2) при прочих равных условиях
снижается до значений 0,14 % (на рис. 2 пунктирная линия).
При функционировании лагов на ПА, с учетом траектории их движения, влияние
вертикальной составляющей вектора скорости Vz на счисление горизонтальных
составляющих скорости значительно.
В реальных условиях плавания ПА может обладать статическим креном и (или)
дифферентом. Погрешность в определении горизонтальных составляющих скорости, если не
принимаются специальные меры, определяется следующей формулой [3]:
(3)
где Vz, Vx(y) – вертикальная, продольная или поперечная горизонтальные составляющие
вектора скорости соответственно;
αk – угол статического крена (дифферента).
Поскольку движение ПА осуществляется на малых скоростях, то при Vx(y) =1 м/с,
Vz =0,2 м/с и αk =4 ° погрешность составит 1,4 %, а при равных значениях Vx(y) = Vz, при
αk =4 ° погрешность может достигать 7 %.
Благодаря применению алгоритма компенсации вертикальной составляющей вектора
скорости при обработке данных [4] в ЛДУ-160 погрешность за счет Vz значительно снижена
и при получении информации об углах качки от внешних датчиков определяется по
формуле:
(4)
(5)
где с0 – значение скорости звука, заложенное в аппаратуру лага и равное 1475 м/с ;
с – истинное значение скорости звука в воде;
α0 – угол наклона оси ХН к горизонту при скорости звука в воде с0=1475 м/с;
αk – угол статического крена (дифферента).
( )
( )
sin 100%,z
x y k
x y
V
V
V
δ α= ⋅ ⋅
2
1 ,
2,8cos
и
ист изм
H
V V
β α
θ
∆= +
( )1 cos sin sin 100%,z
x k k k
x
V
V K
V
δ α α α
= − − ⋅ ⋅
0
00
0
sin arccos cos
,
sin
c
cc
K
c
α
α
=
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4)
65
На рис. 3 представлена зависимость погрешности измерения δVx продольной
составляющей скорости от значения истинной скорости звука и соотношения Vz/Vx,
полученная по формуле (4).
Рис. 3
При указанных выше исходных условиях погрешность за счет Vz не превышает 0,5 %.
Применение доплеровского лага ЛДУ-160 в навигационных комплексах, в которых
точность и надежность обеспечиваются путем интегральной обработки информации
различных систем, позволит в значительной степени повысить точность и надежность
выработки навигационных параметров.
Испытания ЛДУ-160 проводились с использованием программно-аппаратного
комплекса имитации сигналов (ПАКИС) [5], обладающего возможностью имитации эхо-
сигнала, у которого уровень является функцией имитируемой глубины, а частота - функцией
скорости имитируемого движения, килевой и бортовой качек, скорости вертикального
перемещения, статического крена и дифферента.
Лабораторные и натурные испытания полностью подтвердили правильность
принятых схемотехнических решений, заложенных алгоритмов и устойчивость
функционирования.
Автономность функционирования, малые массогабаритные характеристики, высокие
точностные показатели и устойчивость функционирования лага соответствуют современным
требованиям и обеспечат его эффективное применение на глубоководных обитаемых и
δVx,%
1450 1475 1500 1550 1525 с, м/с
0
-0,2
-0,4
-0,8
-0,6
0,8
0,6
0,4
0,2
α0=60°, αk=4°
Vz/Vx=1,5
Vz/Vx=1
Vz/Vx=0,5
Vz/Vx=-0,5
Vz/Vx=-1
Vz/Vx=-1,5
Vz/Vx=0
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2007 (№ 4)
66
необитаемых ПА, подводных лодках, а также на катерах, малых, средних и
крупнотоннажных судах и кораблях.
Литература
1. Лаг доплеровский универсальный ЛДУ-160. Руководство по эксплуатации МР.365354.001 РЭ. -2005.
2. Гидроакустические навигационные средства /В.И.Бородин, Г.Е.Смирнов, Н.А.Толстякова,
Г.В.Яковлев – Л.: Судостроение, 1983. - 264 с.
3. Абсолютные и относительные лаги /К.А.Виноградов, В.Н.Кошкарев, Б.А.Осюхин, А.А.Хребтов – Л.:
Судостроение, 1990. - 264 с.
5. Мартынюк А.П. Компенсация влияния вертикальной составляющей вектора скорости носителя в
допплеровском лаге// Гiдроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби дослiджень свiтового
океану). - 2006, №3, - С. 78-83. - ISSN 1815-8277.
6. А.П.Мартынюк, В.А.Казаков, Ю.И.Гусин, В.Д.Лихтецкий, В.И.Простомолотов. Программно-
аппаратный комплекс имитации сигналов гидроакустических средств навигации ПАКИС// Известия
ТРТУ. Тематический выпуск "Экология 2006 – море и человек".– Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006,
№ 12. - 204 с.
|