автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Исследование факторов, влияющих на точность определения расстояний в гидроакустической трилатерации

Г Б од

6 ШШ ^

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Санкт-ПетсрОургский государственный горный институт имени Г.В.Плеханова < Технический .университет. )

Пп правах рукописй

ВОЛКОВ Александр Евгеньевич

жх- ; 'мше факторов, вжттх'нл точность ОПРЕДЕЛ ' РАССТОЯНИЙ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ТРИЛАТЕРАЦИИ

Специальность 05.24.01 "Геодезия"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учепои степени ', кандидата технических наук

Сэнит-ШтерОург ! '-'Ш

Работа выполнена в Государственной морской академии имени адмирала С.О, Макарова и Сашст-ПаТербургском государственном архитектура -строительном университете.

■ Научат руководитель - доктор технических наук, профессор 1 ' А.И.Гздошн

1 Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

В.А. Коупед

кандидат технических наук, доцент ' Г.Д. Курошев

Ведущая организация - Гидрографическое предприятие

Департамента морского транспорта МТ Российской Федерации

Защита сосгпцггсц 1995 года в часов ^о "

.мин, на заседании диссертационного совета Д 063.15,10 .в Оашст-Петербургском государственном горнрм институте имени Г.В, Плеханова (технический . университет) по адресу ; 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, 2, аудитория 3204.

О диссертацией можно ознакомиться в йийлиотекв института.

Автореферат диссертации разослан "3 " ^^^сУ/)^ 1995 года.

Ученые секретарь диссертационного совета Д 063.15.10 кандидат

технических наук, доцент Богданов Б.Г,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работа. -Изучение и Освоение Мирового океана с целью.использования его ресурсов является одной из глобальных проблем человечества. Создание технических сродств, способных погружаться практически иг) любые глубины, и оснащение их пщюакусттасктн навигационными системами ( ГАНС > вы шло ее на качественно новый уровень. Появилась возмояпость аффективно координировать и оценивать по ГАНС исследовательские и народно-хозяйственные работа в водной толшр. Качество, себестоимость и результаты Последам непосредственно связаны с точностью координирования ira Г WC.

Основы теории распространения гидроакустических сигналов фундаментально исследованы в работах Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанова, А.П. Сташкевича, Р.Дж. Ургасд и др. Разносторонние теоретические и практические вопросы применения ГАНС и обработки результатов их измерении рассмотрены И.Д. Агеевым,Б.А. Касаткиным, B.D. Кобэидзе, В.Н. Матвиенко, И.В. Постниковым, Г.Н. Серавиным, Ю.Ф. Тзрэсюком, IT.X. Милном и др. Методология проектирования, построения и использования морских геодезических сетей предложена В paÖQTax А.И. ГаЛС'ШИНЭ, P.A. КоугИЯ, J.A. Cestona, D.E. Hecfcman, d.m. Fubara, G .A. Maul, d.L. Mcl>own и Др.

Требования к геодезическому обеспечению глубоководных padoT достаточно высоки. В частноеiи, абсолютные координаты донных геодезических пунктов должны определяться с точностью не хуже чем 10 м. Не нин® требования к точности определения координат при проведении глубоководных бурошх и горнодобывающих работ, при прокладке кабелей и трубопроводов. Подчеркнем,. Tto "такие точности отражают не достигнутая уровень, а требования, которые должны быть достигнуть! в хода создания технических сродств и методов работы" (В.А. Коугия, А.И. Сорокин "1'еодозичэскиэ сети на море", 1979 г., с.12). Точность определения координат методом гидроакустической трилатерации непосредственно раписит от точности определения расстояний, которая является сложной функцией различных факторов неоднородной морской срены. Как показано в

диссертации, суиэстпущие метода у ч'гга свойств срэды не обеспечивают необходимую точность определения расстояния. Поэтому, рассматриваемая проблема япля-.тся одася из пэжнейших задач гидроакустической тридатерации, а тема днсиоргГчции - актуальной.

Иэль ¿тиссертаююпнов. работн - «мтед влияния фякторо»

неоднородной морской среди на точность определения расстояний в гидроакустической трилэтерации. 1( числу рассматриваемых ьопросов отнесены ".

1. Кривизна границ гидрологических слоев.

2. Скорость распространения гидроакустических сигналов.

3. Горизонтальные составляющие радианта сжорости звука.

Научная новизна работы : ■

Впервые обоснована необходимость учета горизонтальной составляющей градиента скорости звука при проведении навигационно - геодезических работ с использованием ГАНС. Получены уравнения траектории гидроакустического луча в плоскости с учетом грризонтальной и вертикальной составляющих градиента скорости звука. Предложен алгор)ггм вычисления наклонных расстояний в среде с двумя составляющими градиента спорости аьука.

2. Решена задача исключения из исходного профиля ВРСЗ (ьергакального распределения скорости звука) той его нзсти, влиянием которой в рамках требований к -точности определения расстояний нокно преаейрзчь. Это позволяет оптимально назначать число слоев водной толщи, используемых для вычисления наклонных

" расстояния .

3. Получены формулы для вычисления наклонных расстояний в вертикально-неоднородной среда со сфэрическими границами между слоями. Вешние соответствует условию постоянства вертикального градиента скорости звука в слое, что по строгости аналогично известным алгоритмам для модели е]юды с плоскими границами между слояш.

4. Проанализированы существующие и предложен поисковый мэтод определения элементов лучевой траектории.

Практическая ценность работы состоит в том, что представлен единый ' технологический цикл вычисления расстояний в гидроакустической тршюгерадаи «

- выбор модели Водной толщи ( плоские, сферические границы между слоями);

- выбор способа пересчета покаранных низменных интервалов в наклонные расстояния и на его основании отделение элементов траектории пщроакустичешсого луч

- вычислении наклонных [ы 'стояний в сроде как с одной (вертикальной), так и с двумя ¡партикзльион и горизонтальной) состааадкадмм градиента скорости ьука.

Совокупность подученных результатов может быть положена о основу современной технологии обработки гидроакустических измерения на ЭВМ при развитии дпнных геодезических сетей методом трилатерации.

Метода исследования. Теоретические разработки, результаты и вывода получены в рамках лучевой теории гидроакустики. Для выполнения экспериментальных исследований автором диссертации Составлены программы на алгоритмических языках Фортран для ЭВМ типа ДВК и Си для ЭВМ типа ibm, по которым для всех исследуемых вопросов выполнены расчеты по модальным и натурным данным. Достоверность полученных алгоритмов и выводов подтверждена примерами численного решения. Натурные исследования проводились во время рейса ua НПО " Профессор Логачев " в 1991 г. при непосредственном участии автора.

Внедрение результатов рабочъ!. Работа выполнялась в рамках темы N19 "Разработка программно - математического обеспечения интегрированного нзвигационно - гидрографического комплекса для геодезической привязки системы судно - подводное техническое средство на НПО проекта 12883 <1-я версия) 1ЭЭ0 г. 1Х "^йщ-дзу" 22.02-019", входящей в отраслевую программу "Мировой океан" Управления ресурсов недр шельфа и Мирового океана Комитета РФ по геологии и охране недр . Государственный регистрационный номер темы 0189002SP82. Результаты исследований внедрены во время рейсов на ДОС ПГО СЕВМОРГЕОЛОГИЯ " Профессор Логачев" и "Академик А.Карпинский" и используются для обработки данных, полученных от ГАНС на судах объединения " Соог.оргво

Апробация. Основные голодания, выводы и результаты диссертации докладывались на конференциях профессорско преподавательского состава ГМА ¡-м. адмирала С.0.Макарова в 1993 г. и Государственного архитектурно-строительного ун-та в 1994 г.

Публикации. Па теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и обьсм диссертамта. Диссертация состоит , из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и придавший. Основное содержание диссертации (вкличай 9 рисунков, 4 таблицу, списка литературы из 7в наименований) содержится tía 63 машинописных страницах.

На загопу выносятся :_

1.Обоснопэние пообходиг.исти ■ учота горизшгальпой составляющей градиента ско^ ости знука ■ при продаювии

к

навигационно-геодэзических работ по ГАЛО в районах с устойчиво горизонтальной неоднородностью морской среда.

2. Алгоритм вычисления наклонных расстояний в среде с двум составляющими градиента скорости звука.

3. Алгоритм определения составляющих градиента скорости звук в слое.

, 4. Обоснование вьбора способа пересчета временных интервал в наклонные расстояния на вертикально - неоднородной модели сред

5. Алгоритм уменьшения числа горизонтов в исходном профиле

ВРСЗ.

6. Алгоритм вычисления наклонных расстояний на вертикалы« -неоднородной со сферическими границами модели среды.-

СОДЕРЖАНИЕ_РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цел! исследований, описана структура диссертации, содержание глав.

В первой главе решена задача вычисления наклонньи расстояний на вертикально-неоднородной со сферическими границам? "между слоями модели водной толщи. .

В п.1.1 проанализировано современное состояние проблемы. Показано, что ранее выполненные исследования ( А.И. Галошин; J.A. Centone, R,J, Суг, В. Roeeler, E.St. Georgs, 1977) He ПОЗВОЛЯЮТ строго решать поставленную задачу на принятой модели среды .

В п.1.2 приведены закон Снеллиуса для модели среда со сферическими границами между слоями

RR R ———

--i-Sinv>.»—Bin»--...»-2Ü- Bin» Const - q , (1.1)

C1 ■ 2 . crvM n 1

где с - скорости звука на гидрологических горизонтах; R - радиусы кривизны гидрологических горизонтов ; v - углы падения луча на гидрологических горизонтах ; ч - лучевой параметр траектории на модели среды со сферическими границами между слоями ( К.Е. буляон, 1878) и система дифференциальных уравнений, определяющая траекторию луча в слое со сферическими границами

IftdY • » dS • Sin« I

äv. J.. . i JL .

C CO«»

цэ у - центральный угол траектории в слое; тс - время пробега итала в слое по лучу; аз - бесконечно-малый участок акустической рэекгории.

В п.1.2.1 получено решение системы (1.3) для времени пробега игизла в слое

гс . + т2| . (1.3)

формуле (1.3) т вычисляется в зависимости ог знака разности -ч29д ( <5В - вертикальный градиент скорости звука в слое ). Еслй язяоеть положительна, или ч 1/|д. |,то т1 вычисляется по формуле

2 ) 2 2 2 2 2 9 С ,+/(1-4 д„ >(*<-Ч )

1п -I--В-_1-1- > (1-4)

где с1,с2 - скорости звука на верхней и нижней границах слоя; г>1 ,г<2 - радиусы кривизны верхней и нижней границ слоя ;

«В" <С2- В2>-

3 случае ч > 1/|чв| , вычисляется из выражения

♦ ч -

--?--I (\гк

9в 1 ^

- ЬгсЬд

ИЛИ

=1[1 + ^

еа ' 1

-1 - .... (йгс31п -2---§-£_ _ йгс51п —-I.

О 2_ 1 I ^(с^сд^)! И*!^^)"

1

V 4 9В т2 определяется по- формулв

2 2 2 2 4 2

(1.М

(1.71

В п. 1.3.2 получено рвшаит системы (1.2) для тптрамнога угла траектории 8 слое

гс " |г1+ г?| . ' «1-Я)

О 1

Выражения для ух и у2 такие зависяг от знака разности 1-Так, если ч < х/|эь| , гх находим как'

/Г

Г% 2

ñrctq

Ч

—-

* /ГГ

q <3Г

// 2 2

J - -LÜi- + /ГГ

2 2 q gB

firctg

q(c1+ B^,)

( 1.9)

Если ч > 1/|дв(, уд опрэдаляам из выражения

г, - - АгС* / ] .

Для контроля, в формулах (1.9) и (1.10) можно определять из уравнения

(1.10)

q с.

^ «• fircSin —р —

ArcSin

г2 в случае q < i/|gB|, вычисляется по формуле

22

^ эп q

ln

2 / 2 2 2 2 2 q V. <1 - q MR2 - q с ?)

"В 2 4 ЧВ 2

Если q > 1/|ав|. г2 определяется рз соотношения

(1.11)

'(1.12)

±2qg0

м?

Arctg

'!R2- qc2)(qgB- 1) (R2+ qc2) (qgB+ 1)

(1.15)

- Arete

- 4C1)(qgB- V) <RX + qc^lqg^ Я

где знак "+" перед выражением ставится при ав < о, и при 9В>°; или по формуле

Г2 ' V9! . (1*14)

2

Отметим, что при решении задачи не рассматривался частный случай 1 - о < или q'»i-'|gBt). который всегда может быть

исключен из обработки . Использование предложенных соотношений Допустимо rpi соблюдении условия

О < q < ] t (i " i.n+l >. (i.X5)

где n - число гидрологических слоев.

Предлояша следующая Последовательность вычислений наклонных расстояний: определить поисковом методой (Д.ХимМельбляу, 1975 ) лучевой параметр траектории .q минимизировав Целевую функцию

Ф - С Ig - ) i » min , ' Cl-16)

где t - время пробега сигнала по всему лучу , вычисленное по текущим значениям ч ; t[? - измеренное время пробега сигнала; найти центральные углы траектории с.ч' ов тс ; вычислить нейтральный угол

п i

всего акустического луча г s Е г (л-число гидрологических слоев) и наклонное расстояние по " теореме косинусов"

8 - / 4. - гг^Я^Соо, . (Д. 17)

В п.1.3 оценивается систематическая погрешность в , обусловленная кривизной границ гидрологических слоев. Некоторые результата для двух моделей среды (с плоскими и сферическими границами), полученные по даннмм профиля ВРОЗ, определенного в районе с глубиной 5 км ( в.л. п*ик, л.с. т*ьоо, 1070 ), приведены в таблица.

Систематическая погрешность в наклонных расстояний, обусловленная

кривизной границ гидрологических слоев

Время, Плоская модель Сферическая Модель е.

Vе • S, м G, "M . ' м

5 7567.00 7507-01 0.01

10 15140.14 15140.35 0.21

15 22726.34 227ЭТ.10 0.76

го 303.3-1.10 зит. и Я. 01

В п. 1.4 сделан шлзод о тгч, что )1].и определении наклонных расстояния к пределах юскэтри" хжоя лг-ыгостй' действия ГЛНО по

ь

измеренным временным интервалам нет необходимости использовать более сложную (громоздкую) модель среда со сферическими границами, а достаточно применять модель среды с плоскими границами, так как влияние кривизны границ слоев на наклонные расстояния пренебрежимо мало и может не учитываться.

Во второй- главе обоснован выбор способа пересчета измеренных временных интервалов в наклоцшо расстояния на ! вертикалъно-^еоднороднои с плоскими границами между слоями модели морской среды.

В п.2.1 проанализировано современное состояние проблемы. Вццелено два подхода к решению задачи. Первый основан на лучевой теории гидроакустики и учитывает изменчивость среда в каждой точке траектории. Второй использует однородную модель водной толщи, что позволяет вычислять наклонные расстояния по формуле

где с - некоторая постоянная скорость распространения сигнала (Leung Kui-Mai, Lair, Chi~Hi*ngt 1969 ; Q.A. Maul, 1970 ; O.A. Maul, J.C. pi »hop .,1970 ; D.L. McKeowi, 197& И Др.) J tM -"одностороненнее время пробега сигнала по лучу. Вычисление расстояний по формула (2.1) дает хорошш результаты лишь в частных случаях, так как с, определенная тем или иным способом, совпадает с фактической (аффективной) скоростью распространения сигнала ( В.В. Кобаидзе, 1981; j.r.Short, 8.p.

.Trayi«, 1973 ) только для одного значения времени пробега по лучу. Расстояния, вычисленные по всем 'остальным значениям времени пробега tH, будут искажены систематическими погрешностям. Это приводит к -необходимости выполнения сложных и громоздких вычислительных процедур до алгоритмам, основанным на лучевой теории гидроакустики.

' в п.2.2 " решена задача уменьшения числа горизонтов в исходном профиле ВРСЗ; Допустим, что профиль ВРСЗ, определенный в районе работ, имеет зависимость с»с <z), представлэиную ва рис.1. Составляем неравенство

VQ I SU.7) - S(l,0.7) 1 £ 2(1,5,7) , <2.2)

ГДЕ» 8(1,7|.(С7«4)(«7 - ijJiSd.a^l-ic^c^ltijj-ijf + U^CgHi^ig»! ci~-скорость звука на гидрологическом горизонте! глубина

гидрологического горизоэта» i- номер горизонта: v -ашжт*

среднеквадратичесяой (с.к.п.) к систематической погрешности;

о=(тз/г) - величина, обратная приборной погрешности

о предо лепил глубин горизонтов измерителем скорости звука.

Если неравенство (2.2) справедливо, то расстояния можно вычислять только по 1,5,7 горизонтам профиля ВРСЗ. При зтом, их систематическая погрешность не превысит заданной величины т«/У. Если неравенство (2.2) ложно, увеличиваем число горизонтов

УО | 2(1,5,7) - 2(1,3,3,7)|< 5(1,3,5,7) , (2.3)

где 2(1,3,3,7)» (с3+сх)(г3-11) + (сь+с3)(г9-г3) + (с7+сд)(г7-1д) . Если соотношение (2.3) не выполняется, снова увеличивается число горизонтов

УО | 2(1,3,5,7) - 2(1,2,3,5,7)2(1,2,3,5,7) . (2.4)

и так далее, пока неравенство да будет справедливо. Процедура исключения будет эффективней. если для проводимого анализа выбирать горизонты из интервалов, в которых пловддь, ограниченная кривой с»с(7), больше отличаются от площади, вычисляемой по уменьшенному числу горизонтов (см. рис. 1). Алгоритм был применен К профилю ВРСЗ из 61 горизонта (Н.Н.ЭаЫег, 1981) при условиях т«/а-ю (У»Ю), тг/2*о.5У. (а=2оо). В результате 51 горизонт заменой 4.

Рис.1. Исключение горизонтов в исходном про^млэ ВРСЗ

iü

Предложенный алгоритм поэво.ляет существенно сократить используемую оперативную память, уменьшить объем вычислений и Время счета при определении наклонных расстояний на ЭВМ, Целесообразно применять полученные результаты при создании каталогов и баз данных гидрологической информации.

В п.2.3 сравниваются' два подхода к пересчету временных Интервалов в наклонные расстоянии, рассмотренные в п,2.1. Показано, что применение постояшыи скорости распространения

сигнала с ( формулц (2.1)) мон:от обеспечивать определенно расстояний с необходимой точностью, но не позволяет корректно вычислить их с.к.п.

В п.2.4 сделан вывод q том f что при определении наклонных расстояний то измеренным временным интервалам рекомендуется использовать алгоритмы , основанные на лучевой теории гидроакустики , исключив из исходного профиля ВРСЗ те горизонты, влиянием которых в рамках требования к точности определения расстояний Можно пренебречь.

В третьей тлаве рассмотрены вычислительные аспекты определения расстояний на вертикально - неоднородной с плоскими границами между слоями модели среды но алгоритмам, основанным на лучевой теории гидроакустики.

В п.Э.1 проанализировано современное состояние проблемы определения элементов лучевой траектории, Установлено три подхода к решению задачи. Первый своди! ся к ощеделению методом последовательных приближений начального угла наклона траектории (В.В. Кобаидзе, 1981; В.А. Ноугия, iii79 и др.). Второй подход к проблеме ориентирован на вычисление .аднового параметра траектории. Предложены алгоритмы ; использукшдй процедуру м.н.к. (А.И. Галошия, 13в5, 1992).и градиентные метода (В.А.Коугия. 1987). Третий дадаод не является итерационным, чем - отличается от остальных. В нем предлагаете^ уточнять приближенную траекторию луча поправкой (В.А. Коугия, 1987).

В п.Э.2 для решения задачи предложен поисковый метод Щ.Химмальблау, 1975), который сводится к одаоморной минимизации цвлевой функция

*» <t - t„)2 = min, (3.1)

Р Vi

где - время пробега сигнала, ж шелонное по текущим вначениям лучевого параметра; t - измеренное чр^мя пробега сигнала,

Метод использует квадратичную аппроксимацию далевой функции полиномом, проходящим через определенные в гтроцэссе поиска точки,

В п.3.3 сравниваются рассмотренные в п.3.1 и п.3.2 способы определения расстояния по следующим критериям: простота программирования; обьем вычислительных программных модулей; число итераций в зависимости от числа горизонтов обрабатываемого профиля ВРСЗ и времени пробега сигнала t (для итерационных способов); точность вычисления расстояний.

В п.3,4 на основании проведенного анализа сделаны вывода :

1. Наиболее эффективным дед практического использования Является способ не требующий процесса приближений - уточнения приближенной траектории введением поправки.

2. Для получения расстояния с большей точностью предлагаются: способ, использующий процедуру м.н.к., градиентные или поисковый метода,

3. При обработке результатов на различных моделях среда целесообразно применять поисковые метода, которые позволяют в одном цикле вычислить элементы лучевой траектории ( следовательно расстояния) на любой из рассматриваемых в работе моделей среда. А, именно, вертикально - неоднородной со сферическими границами (Глава 1), вертикально - неоднородной с плоскими границами ( Главы П,Ш ), с вертикальной и- горизонтальной составляющими градиента скорости звука (Глава iv),

В четвертой г л ава_ ■ исследовано влияние горизонтальной составляющей градиента скорости звука ца наклонные расстояния.

В п.4.1 • проанализировано современное состояние проблемы. Отмечено, что расстояния традиционно вычисляют на рергик?л1-чо '-неоднородных моделях среда. Горизонтальные составляющие градиента скорости звука для большинства районов Мирового океана в-, Ю^-103 меньше вертикальных ( Л.М. Бреховских, И,П. Лысанов , 1982 и др,), и ими , как правило, прем-^регают, Считается, что обусловленная этим допущением систематическая погрешность в расстояниях до 10 км не превышает 0.5 м (d,l, мскеоип, i97s и др.)'. В то ш время, горизонтальные составляют*® градиента могут существенно превышать средние по Мировому океану значения ( Л.М, Бреховских,' Ю.П. Лысанов, 1982; В.И. Войтов, В.М, Журбас, 1986; А.И, Гинзбург, H.H. Федоров, 1982; Б.О. Залогин, 1971; В.Н. Матвиенко, D.i. Тарасюк, 1976; h.j. Lugt, р. ugincius, 1964), что необходимо учитывать.

В качестве модели среда принята плоская слоистая

м

йеоднородность с постоянными вертикальной и горизонтальной составляющими градаента скорости'звука в каждом слое. В рамках ¡проблемы поставлены две задачи.

Пэрвая - влияние горизонтальной ' составляющей градиента на акустический луч. ' Обычно, задача решается интегрированием численными методами системы дифференциальных уравнений, . определяющих траекторию луча ( О.П. Галкия, Л.В. Трегубов, 1970; В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк, 1976; В.А. Полянская, 1ЭТ4 и др.). Подход оршнтирован на построение лучевых картин и не позволяет эффективно вычиблять расстояния. В ряде работ предаоюены уравнения акустической траектории в горизонтально-неоднородном подводном звуковом канала < Л.И. Бреховских, 1973; Л.М. Бреховских, В.А. Елисеевнмй, I960; Л.Т. Warlield, M.J. ЛасоЫюп, 1969), но возможности практического использования полученных результатов не показано. Л.М. Бреховских, Ю.П. ЛЫсановым (1082) алгоритм сформулирован 6 слишком обобщенном виде, что затрудняет его реализацию на ЭВМ. С некоторыми допущениями задача решена О.П. Галкиным (.1978* 1982).

Вторзя-влиянда горизонтальной составляющей градиента скорости звука на профиль ВРСЗ (следовательно на наклонные расстояния) при ш рейвер кии судна по району работ сформулирована в работе В.Н. Маггвиэнко и Ю.Ф. Тарасюка (1976).

В п.4.2 решена система уравнения» - определяющая траекторию луча в плоскости с вертикальной и горизонтальной составляющими градиента скорости звука dk

1— " to«. » '

d* 1 (4.1)

Ctimaa(l + лг + <x) • Cdu^ ,

где л .» о ~ относительные вертикальная и

горизонтальная составляющие градиента скорости звука;. д'в -вертикальная составляющая . градиента скорости звука; дг горизонтальная составляющая градиента скорости звука; со скорость звука в точке начала системы координат (верхней точив траектории); к, * - текущие координаты ( Рис.2); • в0-начальный-угол наклона траектории/

и

Рис .2 , Акустический луч в среда о горизонтальной и вертикальной составляющими градиента скорости звука

Реиениэ системы (4.1) получено в виде- ■ '

'[[■¿Г ['(£ А'))

где Ря -

Р,ГсВ1п(Соща ) Лгс9^П(ЧО. Г

■Ж-—- »о

Р„ -Г tg.

»о*

Й

Эг-9

Г В

1п

2(с

2;3/2

( Рн- Р1)(РК - Р2)

Р(-

<«1

9 2+ 9 2

"В Сов а

<9Г - Ат

9Г2+ ^

где ч

Сое а,

с (

1+аг+Ьх) ~ Л^Ч9В0Й параметр траектории.

Итак, при решении системы (4.1) получено уравнение лучевой траекторий (4.2) Для частного случая Ф = 0. Если угол между проекцией касательной ок к началу акустического луча и осью ох отличен от нуля (см. рис.?,), следует принять дг=дгсовф. Горизонтальное проложение по формуле (4.2) вычисляется итерационным методом (<!>, <*о и г - толщина слоя, предполагаются известными).

Наклонное расстояние для одного слоя вычисляется по известной формуле

(2 2+ X2)1'2

(4.3)

При наличии нескольких гидрологических слоев учитываются изменения начальных углов наклона и скоростей звука

Со»а1+1» Со«ах(1 + а + |.

• Се4<1 ♦ а1*±) + ♦ ¿1+1*1>3/2

(4.4)

где «1+1 - начальные углы наклона луча на верхних Границах предыдущего и последуодэго гидрологических слоев; с1, с1+1' -скорости звука на границах ' лев; i - номер слоя.

Вычислив послэдовательно горизонтальные проложения слоев по формуле (4.2), определяем наклонное расстояние

г иг

(4.3)

где п - число гидрологических слоев.

В п.4.3 оценивается влияние гошзонталъной составляющая

2

ь

адиента на наклонные расстояния.

Показано, что систематическая погрешность расстояний, Зусловленная пренебрежением горизонтальными составляющими радиента скорости звука, может достигать значимых величин десятки процентов средаеи квадратическои погрешности расстояния) ри 9r i; 0.0175 ю ~ i/e. Наиболее значительно искажаются асстояния с малыми углами наклона траектории <*Q. Это вынуждает читывать горизонтальные составляющие градиента при проведении пераций с малыми углами наклона траектории. Что позволит избежать начительвых .искажений результатов и уменьшить вероятность варийных ситуаций, например,при определении координат буксируемых гадводных технических средств относительно обеспечивающего судна и 1Втономных подводных аппаратов относительно донных шков-ответчиков. При перемещении судна по району работ с устойчивой горизонтальной неоднородностью морской среды всегда ;лодует прогнозировать искажения расстояний, обусловленные юравномерным ( горизонтальные составляющие градиента скорости шука слоев не равны по величине и направлению) изменением профиля 5РСЗ.

Возникает задача определения горизонтальной составляющее градиента скорости звука. Следует отметить, что при проведении 1авигационно' -геодезических работ по ГАНС определяют только трофиль ВРСЗ. Отлаженной технологии определения составляющих градиента скорости звука нет.'

Поэтому, в п.4.4 рассмотрена задача определения составляющих градиента скорости звука в слое. В." районе работ необходимо определить 7ри профиля ВРСЗ. На каждом из профилей выделить одинаковое число гидрологических слоев и далее определить составлявшие градиента для каждого отдельного слоя.

Очевидно, что на верхней и нижней границах (плоскостях) слоя расположено по три точки ( всего шесть вершин пятигранника слоя) q известными координатами и скоростями звука . По необходимому числу точек (четыре) определяем приближенные значения составляющих градиентав одной из вершин и. находи* значение скорости звука в цэнтре слоя. Далее вычисляем градиенты скорости звука gt в центре слоя то направлению к вершинам и относки их в вектор измеренных величин, по правилу перэврса, лограваосге« формируем их ковариационную матрицу «и. Составляя* парамв цшвскю уравнения связи и определяем вектор свобадаьа членов и

размера 6x1

"д^СовХс_1+- "д^Соврс_А-1- "¡ГСовх (4.6)

где Совл|__1, Созрс__1сов*с_,- направляющие косинусы • Из цэнтра слоя к соответствующей вершине (1«1"7?>).

Определяем матрицу коэффициентов параметрических уравнений поправок

В » 0$ /»(ъ ^Г (1 = 1*76). (4.7)

Находим вектор поправок к приближенным значениям определяемых величин ( составляющим градиента )

X » - ( ВТР В)"1 ВТР и, (4.В)

3x1

где ^ » < ми>-1 весовая матрица измеренных величин, и Ковариационную матрицу уравненных значений составляющих градиента й цэнтре слоя

ив- 1в*р еГ1. ' (4-9)

Исправленные по результатам уравнивания дх»ду,д2 принимаем в качестве составляющих градиента для всего рассматриваемого слоя и используем для вычисления наклонных расстояний.

В п.4.5 сделаны выводы :

1) Для определения наклонных расстоянии в среде с двумя составляющими градиента скорости звука по предложенный алгоритмам судно должно быть оборудовано тремя приемными антеннами.

2) Перед началом , работ необходимо изучать физико -географические характеристики района и определять ш только, профиль ВРСЗ, но И горизонтальные составляющие градиента скорости звука слоев.

3) Надлежит исключат!-. ' обработки расстояния с малыми углами ' наклона траектории.

4) При любых устойчивых горизонтальных составляющих градиента скорости звука необходимо прогнозировать искажение ожидаемых результатов, сопоставляя их с требованием к точности и видом выполняемых работ.

• ' ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результату диссертации :

1. Впервые обоснована необходимость учета горизонтальной ссэтгвляясся градяэнтэ скорости звука при проведении навигационно

-геодезических работ с использованием ГАНС в особых условиях ( устойчивая горизонтальная неоднородность среды >,

2. Получены уравнения траектории акустического луча в фюскости с учетом вертикальной и горизонтальной роставляадих градиента скорости звука. Предложен алгоритм вычисления наклонных расстояний в среде с двумя составляющими градиента скорости звука.

3. Предложен алгоритм определения составляющих градиента скорости звука в слое.

4. Рэшена задача уменьшения числа горизонтов исходного профиля ВРСЗ за счет исключения той его части, влиянием которой в рамках требований к точности вычисления наклонных расстояния можно пренебречь.

5. Получены формулы для вычисления наклонных расстояний на вертикально - неоднородной со сферическими слоями' модели среда. Сделан вывод о том, что при вычислении наклонных расстояния в пределах геометрической дальности действия ГАНС достаточно использовать модель среды с плоскими слоями.

6. Проанализированы существующие и предложен поисковый метод определения элементов лучевой траектории. Показаны преимущества последнего при обработке на различных моделях среда результатов измерений ГАНС.

Полученные результаты . позволяют повысить точность и эффективность определения расстояний по ГАНС, могут быть положены в основу решения проблемы выбора модели морской среды при развитии донных геодезических сетей методом гидроакустической трилатерации, Основные■положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Волков А.Е., Галошин А.И., Фомин И.Б. Разработка математического обеспечения решения 4задач гидроакустической навигации: Отчет по НИР /V Мингео СССР, ПГО "Севморгеология4, ВНИИОкеангеологяя. руководитель А.И.Галошин, - .Л.: ПГО "Севморгеология", 1989. - 62 с,

2.разработка программно -математического обесгючения интегрированного навигационно -гидрографического комплекса ; для геодезической привязки системы судао - подводное техническое средство на НИС проекта 12883 (1-я версия): Отчет о НИР ✓ Кингео СССР, ДГО "Севморгеология", ВНИИОкеангеология: Руководитель А.И.Галошин. Гос. регистр, номер 01890025683, -/,, 1900. - 164

• с,: и*.

3. Осуществить организацию, координации и выполнить натурные

(морские) предварительные испытания АЙПА "Янтарь" и Нзтурньк (морские) предварительные и межведомственные испытания ГАНС "Сигмэ-01001". Информационный отчет По договору N167 <-• Минге( ССОР, ПГО "Севморгеология", ВНИИОкеангеология. - 0.Петербург, 1991.- 34 С.

4. Волков А.Е. Оценка координат судна градиентным методом Методы и технические средства морской навигации ✓ Сб.. научны; трудов Гос. морск. акад. ИМ. адм. С.О.Макарова. - М.: МоргехИнформреклама, 1993. - С.4&-51.

5. Волков А.Е. Об уравнивании трилатерации поисковым методо» ^ Геодезия и картография. - 1993. - N 2. - с.13-14.