Высокоточный измеритель скорости и пройденного расстояния для подводных лодок (2017)

В. Спирин,
кандидат технических наук

Современные подводные лодки (ПЛ) с воздухонезависимой энергетической установкой длительное время не всплывают для уточнения своего местоположения, ориентируясь только на данные собственной инерциальной навигационной системы. В сложной навигационной обстановке при выполнении перехода в заданный район информация о скорости ПЛ относительно дна и толщи воды, а также пройденного расстояния, независимо от спутниковой системы GPS, является насущной потребностью.

Осознавая важность данной проблемы, фирма L-3 Communications ELAC Nautik разработала высокоточный Доплеровский лаг измерения скорости и пройденного расстояния DL 3000, обеспечивающий надежное функционирование и точное определение местоположения лодки. Он работоспособен при глубинах места более 400 м и скорости движения до 35 уз.

ПЛ часто совершают длительные переходы в малоизученных и опасных, с точки зрения навигационного обеспечения, районах. При этом необходимо чаще осуществлять уточнение своего местоположения, так как со временем накапливается навигационная ошибка. Поэтому без получения дополнительной информации о текущем местоположении ПЛ при длительном плавании увеличивается ее отклонение от истинного. В целях снижения данной навигационной ошибки и повышения точности, а соответственно навигационной безопасности и был разработан высокоточный Доплеровский лаг.

Трехмерная картина, иллюстрирующая зондирующие акустические импульсы. Зоны покрытия: левый борт, правый борт, нос, корма, а также вертикальный луч, обеспечивающий измерение глубины под килем

Скорость ПЛ относительно дна и отстояние от него точно измеряется с помощью эхолокации. Если оба вида измерений проведены, то система может рассчитать скорость и направление течения. Одной из важных характеристик Доплеровского лага DL 3000 является возможность измерить скорость корабля в системе трех координат. Это дает возможность управлять кораблем по глубине и курсу. Знание сноса ПЛ за счет течения - одна из составляющих обеспечения безопасного плавания, которая получается путем измерений и учета скорости корабля в системе трех координат. Точное измерение скорости позволяет объективно определить пройденную дистанцию относительно дна и толщи воды. Высокая частота излучения (номинальная 180 кГц) снижает риск обнаружения ГШ прежде всего из-за высокого уровня затухания сигнала. В тоже время это обеспечивает его лучшее отражение от дна, а также большую точность.

Электронная система DL 3000 является автономной и измеряет скорость перемещения ПЛ за счет регистрации Доплеровского сдвига частоты, обусловленного ее движением. Обратное отражение от толщи воды и дна фиксируется на глубинах от 2 до 400 м, а также определяется изменение частоты, в зависимости от скорости перемещения лодки относительно дна и столба воды. Таким образом, DL 3000 может вычислить скорость относительно дна и толщи воды.

Аппаратная часть состоит из двух составляющих: блока SEE 40, формирующего излучение и обеспечивающего прием, а также преобразователя LSE 336.

SEE 40 содержит всю необходимую электронику, а именно восьмиканальный преобразователь для формирования импульсов определенной формы и восьмиканальный приемник, включающий предварительный усилитель, фильтр, квадратурный смеситель, аналого-цифровой преобразователь, а также блок управления. Блок управления генерирует излучаемые импульсы, обрабатывает принятые сигналы и обеспечивает интерфейс с внешними системами.

Глубины, зарегистрированные лучами в ходе испытаний в Килъском фьорде при движении судна по маршруту

Скорость судна, измеренная относительно дна, в ходе тестирования DL3000 в Килъском фьорде: DL 3000 = 3,766 м/с (вектор голубого цвета); GPS = 3,796 м/с (вектор красного цвета)

Маршрут движения Научно-исследовательского судна "Литторина" в Килъском фьорде (отмечен красным цветом)

Результаты измерения скорости сквозь толщу воды в глубоком море, где синяя линия - данные DL 3000 -1,209 м/с, а красная это GPS - 1,103 м/с

Скорость относительно дна, измеряемая на протяжении всего маршрута. Хорошая корреляция с данными системы GPS очевидна, где голубая линия - DL 3000 - 2,675 м/с; красная - GPS - 2,676 м/с

Скорость относительно дна, измеренная в проливе Скаггерак, при сильном крене на левый борт, где голубая линия это данные DL 3000 - 2,459 м/с, а красная - спутниковой навигационной системы CPS - 2,462 м/с

Преобразователь LSE 336-01 представляет собой плоскую антенну, установленную на корпусе ПЛ. Он состоит из двух ортогонально расположенных сегментов, каждый из которых формирует три луча, два из которых направляются под наклоном 30° относительно перпендикулярной плоскости преобразователей (зона покрытия: левый борт, правый борт, нос, корма, а третий измеряет глубину под килем). Развязка между излучателем и приемником размещена внутри преобразователя. Для исключения помех приему гидроакустических сигналов другими ГАС, используется модуляция выходного сигнала. Весь необходимый объем работ по обслуживанию (совершенствование программного обеспечения или обработка первичных данных) может быть выполнен с помощью специальных программ ТО, установленных в переносном компьютере, подключаемом к Интернету.

Некоторые характеристики DL 3000.

Данная система отображает следующие выходные данные:
- скорость относительно дна (продольная и поперечная составляющие);
- скорость перемещения относительно толщи воды (продольная и поперечная составляющие);
- пройденное расстояние относительно дна и толщи воды;
- глубина под килем ПЛ;
- старость течения;
- направление течения;
- вертикальная скорость перемещения лодки.

В случае "потери дна" DL 3000 имеет алгоритм обработки, позволяющий восстановить слежение за ним. Изначально к системе предъявлялись повышенные требования по точности измерений скорости относительно дна, а также по девиации, которые были необходимы для определения пройденной дистанции с соответствующей точностью. Кроме того, требовалось знание глубины.

Для достижения поставленных целей в системе был реализован высокоточный частотный анализ. Все используемые в ней частоты получены от одного генератора колебаний для того, чтобы исключить влияние частотной девиации на различных этапах обработки сигнала. После оцифровки были применены новые алгоритмы для частотной интерполяции, чтобы получить необходимую точность, применительно к измерению частоты.

Для получения максимально точных измерений в сложной, постоянно меняющейся, среде, а также минимизации систематичной девиации из-за плохой дифферентовки, система может правильно оценить качку и рыскание ПЛ. Эти знания необходимы для компенсации различных эффектов в ходе ее движения при излучении и приеме сигналов. В обычных лагах используются упрощения, не учитывающие влияние качки и рыскание лодки. Фирма L-3 ELAC Nautik разработала алгоритмы, которые полностью компенсируют все ее негативные движения. Это позволяет вычислить траекторию ГШ, точные координаты на конкретный момент времени, а также скорость движения относительно дна и толщи воды.

Система DL 3000 имеет следующие точности измерений:
Скорости относительно дна
0,04 уз + 0,5% от результирующей скорости.
Скорости относительно толщи воды
0,1 уз + 1% от результирующей скорости.
Глубины (2-400 м)
±2% глубины или 0,1 м (во всем диапазоне).
Расстояния
> 2 миль - 0,2% от пройденной дистанции.
> 10 миль - 0,1% от пройденной дистанции.

Траектория движения относительно дна рассматривается при глубинах в диапазоне от 2 до 400 м. В зависимости от параметров излучаемого сигнала и профиля скорости звука возможна работа и на больших глубинах, что и было продемонстрировано в ходе испытаний. Дополнительно к скорости, измеряется глубина моря непосредственно под преобразователем. Точность измерения глубины места сопоставима с коммерческими эхолотами. Для достижения требуемой точности проводится специальная процедура калибровки. В связи с этим, различные результирующие ошибки, после установки системы на борту, могут быть уменьшены или устранены. Для реализации этой задачи выполняют несколько проходов по известному маршруту постоянным курсом и скоростью при известных дистанциях и глубинах.

В результате достигаются заданные технические требования к системе.

Прототип Доплеровского лага DL 3000 перед серийным производством прошел серию технических процедур на соответствие заявленным требованиям. Был выполнен ряд тестов на работоспособность: при воздействии температур (согласно стандарта DEF STAN 07-55), электромагнитном излучении (MIL-STD-461D), вибрации и ударных нагрузках (BV 0430) и др. Преобразователь прошел проверку на работоспособность при давлении 50 бар.

Результаты испытаний.

В течение последних лет было проведено несколько испытаний нового Доплеровского лага DL 3000. Большинство из них состоялось в Кильском фьорде и в Балтийском море, недалеко от завода фирмы L-3 ELAC Nautik. Испытания предусматривали измерения глубины в мелком море, скорости относительно дна, а также расстояния. Они дали положительные результаты. Для измерений скорости относительно толщи воды, а также получения характеристик в глубокой воде были проведены дополнительные исследования в других районах.

Научно-исследовательское судно "Литторина" (Littorina) института GEOMAR было оснащено Доплеровским лагом DL 3000. Акустический преобразователь установили за бортом на специальном гидроакустическом подъемном устройстве и закрепили на расстоянии 1 м ниже киля. Электронное оборудование было размещено в бортовой лаборатории. Сенсоры, регистрирующие качку и рыскание судна, не использовались. Общая длина маршрута в Кильском фьорде составила 9 миль, что вполне приемлемо для анализа точностных характеристик. В ходе движения было принято и обработано 12 000 импульсов. Для проверки точности DL 3000 получаемые данные по глубине сравнивались с показателями эхолота. Все результаты совпали вне зависимости от глубины и типа дна.

При движении на маршруте "Литторина" шла с максимально возможной постоянной скоростью.

Данные системы GPS сопоставимы с данными Доплеровского лага. Измеренная скорость относительно дна позволила одновременно определить пройденное расстояние. Точность измерения последней сравнили с данными, полученными системой GPS. Для удовлетворения спецификационных требований ошибка при расчетах должна была составить менее 0,1% расстояния. В ходе испытаний ошибка по расстоянию равнялась 0,025% (была в четыре раза меньше, чем определяли требования к системе).

Тестирование лага в водах Норвегии.

При прохождении маршрута в Ставангер фьорде Доплеровский лаг работал при резком изменении глубин в диапазоне от 40 до 150 м.

При прохождении маршрута скорость судна находилась в пределах 5-6 уз (около 2,5-3 м/с) и измерялась относительно дна на протяжении всего маршрута. Итоговые результаты не только хорошо коррелировались с данными системы GPS по скорости, но и была обеспечена столь высокая степень схожести, что даже совпали все флюктуации.

В другом районе были проведены измерения скорости относительно толщи воды.

Для того чтобы проверить характеристики DL 3000 на большой глубине было выполнено насколько тестов недалеко от г. Кристиансанн по направлению движения к северной границе Дании. Глубины в данной акватории составляли около 550 м. Дно не имело характерных черт, неровностей или камней.

Из-за сильной бортовой и килевой качки постоянно происходили смещения сенсорной решетки, что отражалось на точности измерений скорости. Они были выполнены без использования системы регистрации и компенсации этих изменений, так как на борту отсутствовали соответствующие сенсоры, отвечающие
за компенсацию смещения. При наличии активной системы стабилизации результаты могли быть значительно выше.

Измеренные данные были получены без компенсации бортовой и килевой качки, однако средние значения системы GPS (2,462 м/с) и Доплеровского лага DL 3000 (2,459 м/с) оказались достаточно близки.

Таким образом, все требования, предъявляемые к лагу DL 3000, в ходе морских испытаний оказались полностью подтверждены. Были достигнуты поставленные цели по обеспечению точной навигации, особенно необходимой подводной лодке, находящейся длительное время под/водой. Разработку изделия успешно завершили. Доплеровский лаг нового поколения позволит ПЛ обеспечить навигационную безопасность, в том числе при проходе в фьордах в подводном положении.

Зарубежное военное обозрение. 2017, №9 С. 78-82