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

ТБ ОД

2 4 .50?

Нч правах рукописи

ВОЛКОВ Александр Евгеньевич

ШЖДОЙКЕ ФАКТОРОВ, 1ШЙЩ5« НА ТОЧНОСТЬ . ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЙ Б ШДРОШСТИЧЕСКОЙ ТРМЛАТЕРАЩй

Специальность 05,24.01 "Геодезия"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учшшя степени кандидата технических квдк

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Государственной карской академии имени адмирала С.О. Макарова и Сзыкт-1Татербургск6м государственном архитектурно -стро, льном университете.

Научный руководитель -■

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Ж

Защита состоится <у

доктор технических наук, профессор

A.И.Галошин

доктор технических наук, профессор

B.А. Коугия

кандидат технических наук, доцент Г.Д. Курошев Гидрографическое предприятие Департамента морского транспорта И-Российской Федерации

1995 года часов "Л?" совета Д'/063.15.Ш

мин. на заседании диссертационного совета д ^ 063.15.10 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (технический университет) по адресу : 189026, Санкт-Петербург, 21 линия, аудитория 2Я04.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. .

Автореферат диссертации рззослт "

1995 года.

Учены» секретарь диссертационного совета Д 083.15.10 кандидат технических наук, доцент

; 1

Богданов Б.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение и освоение Мирового океана с целью использования ого ресурсов является одной ул глобальных проблем человечества. Создание технических средств, способных погружаться тактически на любые глубины, и оснащение их гидроакустическими навигационными системами ( ГАНС ) вывело ее на качественно новый уровень. Появилась возможность элективно координировать и оценивать по ГАНС исследовательские и шродао-хозяйственнке работы в годной толще. Качество, себестоимость и результаты последних непосредственно связаны с точностью координирования по ГАНС,

Основы теории распрострзнегтя гидроакустических сигналов фундаментально исследованы в работах Л.М. Брехс^еких, . Ю.П. Лысзновз, А.П. Сташкевича, Р.Дн. Урдаа и др. Разносторонние теоретические и практические вопросы применения ГАНС ' и обработки результатов их измерений рассмотрены М.Д. Агеевым,Б.А. Касаткшшм, В.В. Кобаидзе, В,К. Матвиенко, И.В. Постниковым, Г.Н. Серавиным, Ю.Ф. Тараскжом, П.Х. Милном и др. Методология проектирования, построения и использования морских геодезических сетей предложена В работах Л.И. ГаЛОШИНЗ, В.А. КОУГИЯ, ¿.А.'Севгопе, П.В. Несктап, п.И. РиЬага, а. А. Наи1, Р.Ь. Кс-Кеокп И Др.

Требования к геодезическому обеспечен®) глубоководных работ достаточно высоки. В ■ частности, абсолютные координаты донных геодезических пунктов должны определяться с точность» не хуке чем 10 м,- Не ниже требования к точности определения координат при проведении глубоководных буровых и горнодобывающих работ, при прокладке кабелей и трубопроводов. Подчеркнем, что "такие точности отражает не достигнутый уровень, а требования, которые должны быть достигнуты в ходе создания технических средств и методов работы" (В.А. Коугия, А.И. Сорокин "Геодезические сети на море", 1979 г., с.12). точность определения координат методом гидроакустической трилатеращш непосредственно зависит от точности определения расстояний, которая является, сложной функцией различных .факторов н^.,инородной морской среда. Как показано в диссертации, существующие метода учета свойств среды но обеспечивают необходимую точность определения расстояний. Поэтому, рассматриваемая проблема является одной из ваиашких задач гидроакустической трилатерации, а тема диссертации - актуальной.

Цель .диссертационной работы - оценка влияния факторов неоднородной морской сроды на точность определения расстояний в гидроакустической трилаторации. К. числу рассматриваемых вопросов были отнесены :

1. Кривизна границ гидрологических слоев,

2. Скорость распространения гидроакустических сигналов.

3. Горизонтальные составляющие градиента скорости звука.

Еа зачету выносятся

1. Обоснование необходимости учета горн; 5 октальной составляющей градиента скорости звука 'при проведении навигацконн;,-геодезических работ по ГАНС в районах с устойчивой горизонтальной неоднородностью морской среды.

2. Алгоритм вычисления наклонных расстоянии в среде с двумя составляющем градиента скорости звука.

3. Алгоритм определения составляющих градиента скорости звука в слое.

4. Обоснованта выбора способа вычисления наклонных расстояний по измеренным интервалам времени пробега сигнала на вертикально -неоднородной модели среда и алгоритма определения элементов лучевой траектории.

5. Алгоритм уменьшения числа горизонтов в исходном гидрологическом разрезе.

8. Алгоритм вычисления наклонных расстояний на вертикально -неоднородной со сферическими границами модели среды.

/Научная новизна работа :

Впервые обоснована необходимость учета горизонтальной составлявшей градиента скорости звука при проведении навнгационно - геодезических работ с использованием ГАНС. Получены уравнения траектории гидроакустического луча в плоскости с учетом горизонтальной и вертикальной составлявших градиента скорости звука. Предложен алгоритм вычисления наклонных расстояний в среде с двумя составляющими градиента скорости звука.

Я. Решена задача исключения из исходного профиля ВРСЗ (вертикального распределения скорости звука) той его части, влиянием которой в рамках требований - к точности определения расстояний можно пренебречь. Это позволяет оптимально назначать число слоев водной толщи, используемых для вычисления наклонных расстояний

3. Подучены формулы для вычисления наклонных расстояний е

верггикальяо-ноодаородной среда со сферическими границами между слоями. Рсиенке соответствует условию постоянства вертикального градиента скорости звука в слое, что по строгости аналогично известных алгорггак»! для кололи срода с плоским границами шэду

сдоями.

4. Проанализированы существу*®» и предложен койзксшя уетод определения элементов лучевой траектерда.

Методы исследовании . Теоретятосюю разработки, результаты и выводы получены в рамках лучевой теории гидроакустики. Для выполнения оксперда.энталънкх исследований автором диссертации составлены программы на алгоритмических языках Оортрак для ЭВМ типа ДБК и Си для ЭЗй типа 15м, по которым для всех ис следуемых вопросов выполнены расчеты по модельном и нзтурнкх данным. Достоверность полученных алгоритмов и выводов г.одпзорвдэнз примерами численного решения. Натурные исследования проводились во время рейса на ШС " Профессор Яогзчва " в 1991 г. при непосредственном участии автора.

Практическая ценность работы состоит в то«, что представлен единый технологических цикл вычисления расстояний в гидроакустическое трилатераиии :

- выйь-р моде.м водной толгци ( плоские, сферические границы между слоями);

- выбор способа вычисления наклонных расстояний по измеренным интервалам времени пробега сигнала и на его основании определение элементов траектории гидроакустического луча;

'-• вычисление наклонных расстояний в среде как с одной (вертикальной), так и с двумя (вертикальной и горизонтальной) составлявши градиента скорости звука.

Совокупность подученных результатов может быть положонз в основу, современной технологии обработки гидроакустических измерен!® на ЗЗМ при развитии донных геодезические сотой методом трилаторации.

• Внедрение результатов работы. Диссертация ¿¡дюлвена в ' рамках темы н19 "Разработка программно - математического обеспечения интегрированного шпигаииенно - гидрографического комплекса для геодезической привязки система судно - подводное техническое средство на ИКС проекта '13383 (1-я версия) 19У0 г. 22.02-019", входящей в отраелезу» программу "Мировой океан" Лтравлония ресурсов кедр июли}'-! и Мирового океана Уау/.тотэ К> по

-ологии к охране недр . Государственный регистрационный номер темы 01890025682. Результаты исследования внедрены во время рейсов на ИКС ПГО СЕВМОРГЕОЛОГИЯ " Профессор Логачев" и "Академик А.Наржнсляг" и используются .для обработки данных, подученных от ГАНС на судах объединения " Севморгоо

Апробация. Основные 'положения, выводы и результаты диссертации докладываюсь на . конференциях профоссорско препод-тате"некого состава 'ГУА их. адмирала С.О.Макарова в 1993 г. и Государстьейного аржгтекгурао-строитльного ун-та в 1994,1995 г.

■ Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 научных работах автора. По теме исследований составлено 3 отчета о НИР.

Структура и объем диссертанта. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы к трможж®. Основное содержание диссортации (включая 9 рисунков, 4 таблицы, списка литератур« из 8Я наименований) содержится на &4 машинописных страницах.

Автор благодарит д.т.н. профессора Г.В. Макарова ( ГМА им. адмирала С.О. Макарова, Санкт-Петербург) за полезные замечания и пожелания, высказанное в ходе подготовки диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

В настоящее время наклонные расстояния вычисляют на плоской слоисто?., с постоянным вертикальны« грэдшнтом скорости звука в .слсю, модели морской срода. Кряыша границ паралогических слоев, как правило, по учитывается. • Выполненный анализ современного состояний- проблемы така» показал , что • ранее проведенные исследования (А.К. Галошш; J.А.Сер tone, R.J. Cyr, G. Roesler, E.St. George, 1377) HQ ПОЗВОЛЯЮТ СТрОГО ВЫЧИСЛЯТЬ' раССТОЯНИЯ НЗ модели ■ среды со сферическими границами. Это обусловило необходимость разработки алгоритма вычисления расстояний на модели среды со сферическими границами можду слоями и оценки влияния кривизны границ слоев на расстояния.

В результате решения системы дифференциальных уравнения, определяющей траекторию луча в слое со сферическими,границами

IF.dy г tgipdE) = dS • Siri<p ;

° , -с ' 4.1)

dT = _Lds J--,

c c C Coo»

гдо r - центральны/» угол трае:стории в слое; г^ - в>ремя пробега

сигнала в слое по лучу; ds - бесконояно-мадый участок акустической траектории, с учетом закона Снеллдусэ для модели. среда со сферическими границами

Р.. Кг, н . -

-—•-Siri'P^ —-Sin<p?3 . . 3iri'Pri + 1= Const = q , (1.2) '

где с- - скорости звука на гидрологических горизонтах; к - радиусы кривизна гидрологических горгч-гч/ъ ; ч> - углы издания луча на гидрологических ropir^nrax ;' g - лучпвей параметр траектории на модели' среда со сфори -чсизяня. границами хежду слоями < К.Е. Бухчен, 1078), подучены формулы для времени пробега сигнала и центрального угла траектории в слое, Цэтпрэльаш» угол траектории в слое - угол, образованный радиусами верхйей и жшюй границ слоя, с вершиной в дантрэ Земного пэра.

Время пробега сигала в слое со сферическими границами находим из выражения

тс = 1-1 + ' (ь3> В формуле (1.3) -с вычисляется в зависимости от знака разности l-q2g| ( gB - вертикальный градиент скорости звука я слое ). Если • разность положительна, или q < i/|g |,то т^ определяем как

ln 1-Ё-i---и--±-i- , (1.4)

где с^.Сд - скорости звука на верхней и нишей границах слоя; {»¡.^2 - радиусы кривизны верхней и нижкоа границ слон

В случае ч > \/\шъ\ . ^ получаем из выражения

Arctg--■■ ■■ - ---.

- Arctg —

[1 + -§?- (v

(1.5)

/Т~г-Г

с2 Н ' 1

ИЛИ

V

Г -V

-i агс31п -

ЬВ * -'л

- ЙГСОЦ1 -

' 1 В 1 '

'У 4 еВ°1

<1.6)

определяется из соотношения

■ 1п

-1 [В2* ^ ^^ ]

о.^^ /нл л,21

Центральный угол траектории в слое находим по форм,у.1е

У Г. ' I7!4-

(1.7)

(1.6)

Выражения для гх и гг так;® зависят от знака разности Так,

если ч <. 1/|ев| , у, вычисляем из равенства

+ /

1 -

2

АхсЬе

Г г 2 _

/ 4 /-

/ I - -' ♦ у 1 -

V

Лв2

(1.9)

Если ч > а/1 е ). г. определяем из выражения

/ /«>,-90, I •

/-0557 - ( ■ (1Л0)

кгсЬе

Для контроля, т1 в формулах (1.8) и (1.10) можно определять из уравнения

'<, - АгсЗ 1п —

"1

Ко

1 2 у„ в'случае у < 1/)й получаем из формулы

2_ _ ^ / (1- Ч2Й. 2 > 2_ й

Н1+ %с1 +

^ ^ ^ 2 2 Ч Йв )(Н^ - ч с1 )

/У „22

(1. п>

(1.12)

Если д > 1/1рвЬ г. определяется из соотношения

fl^T- 1

\re tg

<R?- c|C?)(qgD- 1) (S2+ qc2)(qgB+ 1)

(1.13)

Are tg

qoг)(чшг- i)

(R1 + qcj)(qg3+ 1)

где знак "+" тред выражением ставится при ев < о, и "-" при йб>о; или по формуле

Чёт;

/7

ч sr,

ArcS in

Arco in

B2 V^cv

jqCCj+ggR^I

v ^ gBC'l 1

l£j(<v £BR1}i j

(1.14)

Отметим, что при решении задачи но - рассматривался частный случай 1 - у2 о ( или ч =1/]еъ|), ко!орый всегда' может быть исключен из обработки . Использование предложенных соотношений, допустимо при соблюдении вытекзкиего из закона ■Снеллиуса (1.2) условия

о

ш

(i = 1,п+1 >,

(1.15)

где п - число гидрологических слоев..

Предложена следующая последовательность вычисления наклонных расстояний: определить поисковым методом (Д.Химмолъблэу, 1975 ) лучевой параметр 'траектории <¿ ? минимизировав целевую функцию

« - ( - t„ ) 2 = rain , ' (1.16)

в и

где tB - время пробега сигнала по всем./ лучу , вычисленное по

текущим значениям q ; - измеренное время пробега сигнала; найти

центральные углы траектории слоев г ; вычислить центральная угол

п С1

всего акустического луча y = е г (п-число гидрологических с:'.ев)

1-1 °i

и наклоннее расстояние по " теоромо косинусов"

q

8 = / В^ + - гВ1Нп4.1Созг . (1.17)

Для офнки систематической Погрешности з, обусловленной кривизной границ слоев, по разработанному алгоритму были выполнены модальные вычисления. 15экоторые результаты для двух моделей среда (с Плоскими И сферическими границами), подученные по данным Профиля ВРСЗ, определенного в районе с глубиной Б. км ( о. а. Маи1, а.с. ь1зпор, 1370 ), приведены я таблице 1.

1 1 ■ Таблица 1

Систематическая погрешность в наклонных расстояний, обусловленная кривизной границ гидрологических слоев

Время, ■ Плоская модель Сферическая модель а.

Vе S» м 3, м м

5 7567.00 7057.01 . 0.01

10 15140.14 16140.35 0.?4

15 22726.34 22727110 0.76

20 30334.10 30336.11 2.01

• На основании полученных результатов сделан вывод о том, что При определении наклонных, расстояний в пределах геометрической, дальности действия ГАНС по измеренным интервалам времени пробега сигнала нет необходимости использовать более сложную (громоздкую) Модель среда со сферическими границами, а достаточно применять •модель среда с плоскими границами, так как влияние кривизны границ слоев на наклонные расстояния пренебрежимо мало,

К вычислению расстояний на модели среды с плоскими границами существует два подхода. Первый основан на лучевой теории гидроакустики и учитывает изменчивость среды в каждой точке Траекторий: Второй Использует однородную модель водно® толщи, что Позволяет "вычислять наклонные расстояния по формула

где с - некоторая постоянная скорость распространения сигнала (Leung Kui-Wal, Lam Chi-Hung, 1969 ; fí.A. Maul, 1970 ; G.A. Maul, J.'C. .Bishop ,1970 ; D.L. McKeovn, 1975 И Др.) ; tM одностороннее время пробега сигнала по лучу.

Таким образом, возникает задача выбора способа вычисления

наклонных расстояний по намеренным интервалам врамени пропета сигнала. Выполненные г» диссертации исследования показали, ЧТО вычисление расстояний по формуле (2,1) дает хорошие резулътзтн лишь в частных случаях, так как с, определенная тем или иным способом, совпадает с фактической (аффективной) скоростью > распространения сигнала ( В.В. Кобавдзе, 1881; J.й.¡mort, ■ s.р. Travie, 1973 ) только для одного значения времени пробега по лучу. Расстояния, вычисленные по всем остальным значениям времени пр-обега tM, будут искажены систематическими погрешностями, Это приводит к необходимости определять расстояния по громоздким елгоритмам, основанным на ~ лучевой теории гидроакустики, и вынуждает сокращать объем вычислений по ш, Последнее монют быть достигнуто, в частности, за счет уменьшения числа горизонтов в исходном.. гидрологическом раораза.

Допустим, что профиль ВРСЗ,определенный в районе работ, имеет зависимость с-с(г) ,представленную на рио.1. В соответствии о рисунком составляем неравенство

VÛ | 2(1,7) - 3(1,6,7) | S 2(1,6,7) , (2.2)

гда Ж 1 ,7>~<с7+с1 ) (z? - E1);2(l,&.7):(c5fol)(z5-i1),+ (c7+o6)(27-z6)f с1- скорость звука на гидрологическом горизонте; Ej- глубина гидрологического горизонта; 1- номер горр;5онта; v -пв/ь -отношение сродаквадратической (с.к,п.) - к систематической погрешности;, Q-(r"z/z) - толичина, обращая приборной погрешности

определения глубин горизонтов измерителем ■ скорости звука. ■

Если неравенство СЛ.?,) справедливо, то расстояния можно тчжмпъ только по 1,6,7 горизонтам профиля. RPC3. При этом, ш систематическая погрешность не превысит заданной, величины "s/y. Если неравенство (2.2) ложно, увеличиваем число горизонтов

VQ | 2(1,5,7) - 2(1,3,6,7>|i 2(1,3,6,7) , (2.3) гдо 2(1,5,5,7)- (cj+gj )(z3-zj ) + (c&tc;3)(z6-ii3) (су »-cg ) ( zg ) . Если соотношений (2.3) lie выполняется, снова увеличивается • число горизонтов

VQ ! 2(1,3,6,7) - 2(1,2,3,6,7)|s 2(1,2,3,6,7) . (2.О и так далее, пока неравенство не 'будет справедливо. Процедура исключения будет эффективней, если для проводимого анализа выбрать щдашга из интервалов, в которлмг площадь, ограниченная кривой с-с(я), Сольш отличается от площади, вычисляемой пи уменьшенному числу горизонтов (см. рис. 1). Алгоритм.бьи применен

■io

"К профилю BPCS ИЗ 5i ЩЖ30НТЭ (H.K.Gabler, 1961) При УСЛОВИЯХ пз/&-10 (У^ю), l"z/z=o.5,i lö^soo). В результате 51 горизонт заменен 4. Результаты приведены в таблице 2.

Рис.1. Исключение горизонтов в исходном профиле ВРСЗ

Таблица 2

Наклонные расстояния,вычисленные по полному и уменьшенному числу горизонтов профиля ВРСЗ

Si.c 351,м ив,м з4,м

' 5 7477.83 38 7480.97 8

10 14955.89 73 14363.11 8

15 22434.49 123 22443.61 7

20 29913.55 180 29925.84 7

Предложенный подход позволяет существенно сократить используемую оперативную память, умоньиить объем вычислений и время - счета при~ определении наклонных расстояний на ЭВМ. Цели сообразно ■ применять разработанный алгоритм при с-а-здании каталогов и баз данпых гидрологической информации.

Г I

Сравнение существующих подходов к вычислению расстояний по измеренным интервалам времени пробега сигнала показало, что применение постоянной скорости распространения сигнала с ( формулы '(2.1)) может обеспечивать определение расстояний с необходимой точностью, но не позволяет корректно вычислить их с.к.п. Поэтому, в диссертации сделан вывод о том , что для определения наклонных расстояний по измеренным временным интервалам • рекомендуются алгоритмы, основанные на лучевой теории гидроакустики. При этом целесообразно исключать из исходного профиля ВРСЗ те горизонты, влиянием которых в рамках требований к точности определения расстояний можно пренебречь.

При вычислении наклонных расстояний по алгоритмам лучевой теории гидроакустики необходимо использовать элементы траектории звукового луча, которые, как правило, неизвестны. Задача сводится к определению начального угла наклона (а^) или лучевого параметра (ч), соответствующих времени пробега сигнала профилю ВРСЗ

района работ и глубине постановки гидроакустического маяка. Для решения задачи применяются численные метода.

Анализ современного состояния проблемы определения элементов лучевой траектории позволил установить три подхода к решению задачи. Первый сводится к определению методом последовательных приближений начального угла наклона траектории (В.В. Кобаидзе, 1931; В.А. Коугия, 1979 и др.). Второй подход к проблеме ориентирован на вычисление ' лучевого параметра траектории. Предложены алгоритмы : исотльзушда процедуру м.н.к. (А.К. Галоша, 1985,, 1892) и градиентные- метода (В.А..Коугия, 1987). Третий подход не является итерационным, чем отличается от остальных. В нем предлагается уточнять приближенную траекторию луча поправкой (В.А. Коугия, 1987). Элементы траектории гидроакустического луча на рассмотренных в диссертации моделях среды ( со сферическими границами и с горизонтальной неоднородностью) определялись поисковым методом.

С целью выбора алгоритма определения, элементов лучевой траектории, наиболее эффективного для практического . применения, рассмотрены вычислительные аспекты определения расстояний на вертикально - неоднородной с плоскими границами между слоями модели сроды. Для чего, упомянутые способы были проанализированы по следующим критериям; простота программирования; обьем вычислительных программных модулей; число итераций в зависимости

от числа горизонтов обрабатываемого профиля ВРСЗ и времени пробега сигнала г,л (для итерационных способов); точность вычисления расстояний.

На основании проведанного анализа сдельны вывода :

1. Наиболее аффективным для практического использования является способов требующий процесса . приближении - уточнения приближенной траектории введением поправки. ■

Я. Для получения расстоянии с большой точностью предлагается; способ,• ислйдьвуввдий процедуру м. .н.к: : трятюнтпш 1 или поисковый методы.

3. При обработке результатов на различных моделях среды целесообразно применять поисковое метода, которые позволят' в одном цикле вычислять элементы лучевой траектории ( следовательно расстояния) на любой, из рассматриваемых в работе моделей среда. А именно, .вертикально - неоднородной со сферическими границами, вертикально - неоднородной с плоскими границами , с вертикальной и горизонтальной составляющими градиента скорости звука - модели среда, к которой мы переход™.

Анализ современного состояния проблемы показал , что расстояния традиционно вычисляют, на шртакалыю -неоднородных моделях среда. Горизонтальные составляющие градиента скорости звука для большинства районов Мирового океана в ÎO^-LO3 меньше вертикальных ( Л.М. Ероховских, Ю.П. Лысэнов , 1йШ и др.), и- ими , как правило, пренебрегают. Считается, что обусловленная этим ' допущением систематическая погрешность в расстояниях до 10 км не Превьшает 0,5 M (D.L. McKeown, 1875 и f.). В то ю время, горизонтальные составляющие градиента.могут существенно.. превышать средние по ' Мировому океану значения ( Л.М. Бреховских, Ю.П, Лысанов, 198Я; B.Iii Войтов, В.М. Журбас,- 1ЗД6; А.И. Гинзбург, К.Н. Федоров, 198Я; B.C. Залогин, 1971; В.Н. Из'геилнко, Ю.Ф, Тарасюк, 1W6; H.j.-Lugt. p. Uginclus. 1W). Вопрос о необходимости учета наряду с вертикальной и Горизонтальной составлявшей градиента скорости звука в судаствуюшои- литературе практически не рассмотрен.

Б качестве модели среды принята плоская слоистая, неоднородность с постоянными вертикальной и горизонтальной составлявший градиента скорости звука в каждом слое. В рамках проблею влияние горизонтальной составляйся градиента скорости звука нз наклонные расстояния поставлены доз задачи.

Порвал - влияние горизонтальной составляющая градиента на акустический луч. Обычно, задача решается интегрированием численными методами систоМы дифференциальных уравнений, определяющих траекторию луча ( О.П. Галкин, Л.В. Трегубов, 1970; В.Н. Матвдапко, Ю.Ф. Тарасюк, 1978; В.А. Полянская, 1974 и др.). Подход ориентировan на построение лучевых картин и не позволяет эффективно вычислять расстояния. В ряде работ предложены уравнения акустической траектории в горизонтально-неоднородном подводном звуковом канала ( Л.М. Бреховских, 1973; Л.М. Бреховских, В.А. ЕлисеОВИИН, i960; J.T, Warf leid, H.a. Jacobson, 1869), HO возможности практического использования полученных результатов не показано. Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысановым (1982) алгоритм сформулирован в слишком обобщенном вида, что затрудняет его реализацию на ЭВМ. С некоторыми допущениями уравнение акустической траектории с учетом горизонтальной и вертикальной составляющих градиента скорости звука получено О.П. Галкиным ( 1978, 1982).

Вторая-влипниэ -горизонтальной составляющей градиента скорости звука на профиль ВРСЗ (следовательно на наклонные расстояния) при перемещении судна по району работ сформулирована в работе В.Н. Матвиенко и Ю.4>. Тарасюка (1S73).

Уравнение акустической траектории с учетом вертикальной и горизонтальной составляющих градиента • скорости звука определяется системой

dz

tgor.

dx ' , • (3.1)

Совя (1 + az * ix) = Cosa. ,

О 2

где а = вв/с0,. г- ег/ос - относительные вертикальная и горизонтальная составляющие градиента скорости звука; ев -вертикальная составляющая градиента' скорости звука; ег горизонтальная составляющая градиента скорости звука;• со скорость звука в точке начала системы координат (верхней точке траектории); х, е - текущие координаты ( Рис.2); » -начальный угол наклона траектории.

Рис .2 . Акустический, луч в среде с горизонтальной и вертикальной составляющими градиента скорости звука

В результате ре. :шя системы (3.1) получено следующее уравнение

+

(3.2)

Агсй11-(Соза ) Агс51п(чс )

где р 1 -' гц-5— = ье-2-

¿1 л о

- Агс51п [Созя (1+в2+«х)] Агс31п Счс (1+аа+<х)]

Р - и-£-= Ьи-°-

Л О О

в =

в г

2 9

Е2 =

1п

2,3/2

вВ "Г

( Рк - Р1)(РН - Р2)

( рн- Р1ХРК - Р2)

р,= ~ <г-п / 6]Л };

■1 йв -г

р„=

2'

(8,

Соз а Соз а,

о _ 1

с, с- -(И-аг+Ьх) о о

- лучевой параметр траектории.

Кроме того, решение системы (3.1) можно записать в виде

(тт? И (5-»)))

+ Е.

(3.3)

где

рн " ^(ао/2)= гг

АгсСоз(<?с )

РК '= -гг(а/2>= ье

АгсСоэСдс (

Е1 =

- бт.8

ВвГ

2. „ 2,3/2 2<*г + ев )

хп

(РК -Р1)(РН - Р2> (РН * Р!ИРК * V

Р1 (йв + у н + ег

( В^ - /йа2 + .

Р2 ~ < 8В ~ У ЙВ~ + 8Г

Ч

Итак, при решении системы (3.1) получены уравнения лучевой

траектории с учетом горизонтальной и .вертикальной составляющих градиента скорости звука (З.Я) и (3.3) для частного случая ф = О.К практическому использованию можно рекомендовать уравнение (З.Я), которое позволяет избежать неопределенности вида "деление на ноль" , в случаях,.кох-да значение горизонтальной составляющей близко к нулю. Если угол между проекцией касательной ок к началу акустического луча и осью ох отличен от нуля (см. рис.2), следует принят^ мт - ег Созф . Горизонтальное проложение вычисляется итерационным методом (♦, ^ и г - толгцжа слоя, предполагаются известными).

Наклонное расстояние для одного слоя вычисляется по известной формуле

Б - а Х2)1/2'. (3.4)

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

Соэа^г Совета +■ аЛ^ 4- ^Х.) 1

1 = СС1а + 'А' + С1+1(1 + *1 + 1Х1>]/-2

(3.6)

где а ; - начальные углы наклона луча из верхних границах Предыдущего и последующего гидрологических -слоев; с1, с1+1 -скорости звука на границах слоев; 1 - номер слоя.

Вычислив последовательно горизонтальные лролажения слоев по формуле (3.2) или (3.3) , определяем.наклонное расстояние

2 иг

(3.6)

где п - число гидрологических слоев.

Для определения влияния горизонтальной составляющей градиента на наклонные расстояния по разработанному алгоритму были выполнены модельные вычисления, которые показали, что систематическая

погрешность' расстояний, обусловленная_. пренебрежением

горизонтальными составляющими градиента скорости звука, мошт достигать значимых . величин (десятки процентов средней квэдрэткческсй погрешности расстояния) при в г * о.опь ю"*1 1_/с_. Наиболее значительно искажаются расстояния с малыми угламу

наклона траектории л . Некоторые результаты, подученные по 1,8,13 горизонтам < профиль ВРСЗ работы G.A. Haul . J.С. Bishop, .1970 ), приведены в таблице 3 . Горизонтальная составляющая градиента первого слоя принимались равной : о .от • ю~21/с ; второго СЛОЯ: gr= 0,0175 ■ Ю"4 1/с.

Это Вынуждает ■ .учигывзть горизонтальные ■ составляющие градиента при проведении операция с малыми углами наклона траектории чтобы избежать значительных искажений результатов и уменьшить вероятность аварийных ситуаций, например,при определении координат' буксируемых подводных технических средств относительно обеспечивающего судна и Автономных .подводных аппаратов относительно донных маяков-ответчиков.

Полученные в-диссертации результаты.также показали, что при перемещении судна по району работ с устойчивой горизонтальной неоднородностью морской среды всегда следует прогнозировать искажения расстояний, обусловленные неравномерным (

горизонтальные составляющие градиента скорости звука слоев не равны по величине и направлению) изменением профиля ВРСЗ.

Таблица 3

Отношение модуля систематической погрешности в, обусловленной gr, к среднеквадрзтической погрешности m наклонных, расстояния

% При в ° о

10 20 ■ 30

О 35 1 , 0

20 . 33 1 • 0

40 йS 0 . 0

60 16 0 0

80 3 0 0

100 5 0 0

120 16 0 0 .

140 25 о- 0

160 31 0 0

180 33 G 0

Возникает задача определения горизонтальной составляющей градиента скорости звука. Следует ответить, что при- проведении

навигационяо -геодезических работ по ГАНС определяют только профиль ВРСЗ. Отлаженной технологии определения составляющих градиента скорости звука нет, поэтому, был рассмотрен один из возможных путей решения задачи.В районе работ необходимо определить три профиля ВРСЗ. На каждом из профилей выделить одинаковое число гидрологических слоев и далее определить составляющее градаэнтз для каждого отдельного слоя.

Очевидно, что на верхней и нижней границах (плоскостях) слоя расположено по три точки ( всего шесть вершин пятигранника слоя) с известными координатами и скоростями звука . По необходимому числу точек (четыре) определяем приближенные значения составляющих градиента Т^ПТу ЛГ2 в одной из вершин и находим значение скорости звука в центре слоя. Далее вычисляем градиента скорости звука в центре слоя по направлению к вершинам й относим их в вектор измеренных величин, по правилу переноса погрешностей формируем их ковариационную, матрицу ми. Составляем параметрические уравнения связи и определяем вектор свободных членов н размера 6x1

ТхСо3Лс_ > ТУСОЕ0С_1+ Т2СоВ*с_ .-8.,« ., (3.7)

где Соз(5сл ^, соб*с_1- направляющие косинусы

из цонтра слоя к соответствующей вершине (1= Г7б >.

Определяем матрицу коэффициентов параметрических уравнейиг поправок

в = ¡1=178). (3.8)

6x3, 1 ■ X У г.

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

- - X = - ( В^'ВГ1 БТР V), (3.9)

3x1

где р = ( М^Г1 весовая; матрица' измеренных величин, ] ковариационную матрицу уравненных значений составляющих градиент в центре слоя .

..... " А-.(вТр вг1;' (3.10

"" Исправленные по результатам уравнивания вх,еу.е;, принимаем качестве составляющих градиента для всего рассматриваемого слоя используем для вычисления наклонных расстояний.

При обобщении результатов на горизонтально - неоднородной

модели среды сделаны вывода :

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

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

3) 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 результаты диссертации :

1. Впервые обоснована необходимость учета горизонтальной составляющей градиента скорости звука при проведении навигашонно -геодезических работ с использованием ГАНС в особых условиях ( устойчивая горизонтальная неоднородность среды >.

2. Получены уравнения траектории акустического луча в плоскости с учетом вертикальной и горизонтальной составляющих градиента скорости звука. Предложен алгорига вычисления наклонных расстояний в среде с двумя составляющими.градиента скорости звука.

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

'4. Решена задача уменьшения числа горизонтов исходного профиля ВРСЗ за счёт исключения тоа его части, влиянием которой в рамках требований к точности вычисления наклонных расстоянии 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 расстояний в пределах геометрической дальности действия ГАНС достаточно использовать модель среды с плоскими слоями.

8. 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 среда при развитии донных геодезических сетей методом гидроакустической трилзтерации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Волков А.Е. Оценка координат судна градиентным методом Метода и технические средства морской навигации Сб. научных трудов Гос. морск. акад. им. адм. С.О.Макарова. - М.: Мортехинформреклама, 1993. - с.48-51.

2. Волков А.Е. Об уравнивании трилатерации поисковым методом Геодезия и картография. - 1993. - и 2. - с. 13-14.

3. Волков А.Е. Координирование подводных технических средств в районах с устойчивой горизонтальной неоднородностью морской среда при проведении геолого-геофизических работ в Мировом океане ^ Тез. докл. IX Международного координацизнного совещания " Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования Мирового океана" 22 - 24 ноября 1994 г.. Секция 1: Интеллектуальные системы управления техническими средствами исследования и использования Мирового океана.- ■ Санкт-Петербург /* Государственный электротехнический университет.-Санкт-Петербург , 1994. - с 12.

4.Волков А.Е. Вычисление расстояний до гидроакустических маяков на модели среда со сферическими слоями/Санкт-Петербургский Горный иа-т.-Санкт-Петербург, 1995.-?с.-Библиогр.:2 назв. - Рус.. -Деп.В ОНИПР ЦНШГАИК 02.03.95, Н 585 - ГД 95. '

5. Волков А.Е. Алгоритм исключения горизонтов в исходном гидрологическом разрезе при определении расстояний до гидроакустических, маяков /Санкт-Петербургский горный ин-т.-Санкт-Петербург, 1995.-6с.-Библиогр.: 3 назв.- ил.- Рус. - Доп.в ОНЙПЕ ЩИИГАИК 02.03.95, Н 584 -гд 95.

6. Волков А.Е. Вычисление расстояний до гидроакустическга маяков на модели среды с горизонтальной неоднородностью / Санкт-Петербургский горный ин-т.-Санкт-Петербург, 1995.-7с.- Библиогр.': 2 назв.- ил. -Рус. - Дэн. в ОНИПР ЦНШГАиК 02.03.95, N586 - гд95.