книги из ГПНТБ / Аграновский, К. Ю. Основы теории радиоэлектронных систем морских объектов

безводолазного подъема затонувших предметов 7, обитаемые аппараты якорного типа 8.

На больших глубинах создаются стационарные обитаемые «пещеры» 9 для отдыха личного состава.

В качестве спасательных средств используются глубоководные самодвижущиеся аппараты 10, которые базируются на подводном транспорте 11. Через аппаратуру радиогидроакустического буя 12 осуществляется связь подводных аппаратов с береговыми базами и кораблями. На рис. 1.1 показаны также самоходные аппараты 13 для работы на очень больших глубинах.

Перспектива развития подводных аппаратов предполагает широкое использование морского дна. Так, например, предусматривается раз­ мещение на дне гидроакустических буев-ответчиков или приемных систем гидроакустических станций для обнаружения судов и наблю­ дения за их движением. Предполагается также установка на дне средств навигационного обеспечения и средств связи.

Планируется постройка глубоководных океанских баз подводных лодок [55]. Предполагается организация обитаемых подводных лабо­ раторий и создание постоянно действующих глубоководных научноисследовательских станций [88].

Подводные средства промышленного назначения включают раз­ личные устройства, используемые для осмотра подводных трубопро­ водов, оборудования подводных скважин, взятия проб со дна и т. п. [93]. Раньше такие операции возлагались на водолазов.

10

Примерами современных морских объектов многоцелевого назначе­ ния являются подводные аппараты «Vickers Pisces» (Англия) и «Pis-

ces-П» (Канада).

Самоходный подводный аппарат «Vickers Pisces» рассчитан на ра­ боту в глубинах до 1100 м. С помощью этого аппарата был выполнен большой комплекс работ. Проведены киносъемки на глубине 480— 720 м, геологические исследования, взятие проб грунта с глубин 400 м, обследован трубопровод на глубине 25 м и другие работы.

Для проверки подводных трубопроводов аппарат имеет специаль­ ную ультразвуковую установку. Предполагается также, что аппарат позволяет снабжать экипажи поврежденных подводных лодок пищей

и воздухом. В носовой части аппарата находится телевизионная уста­ новка для наблюдения за процессом производства подводных работ. Наблюдение за экраном осуществляется оператором. Данные наблю­ дения передаются на обеспечивающий корабль или береговую базу. Обмен информацией между аппаратом и обеспечивающим кораблем или береговой базой осуществляется с помощью радиогидроакустических буев.

Рабочая частота гидроакустической станции аппарата равна 155 кГц. Предусмотрена возможность установки дополнительного остронаправленного приемника для поиска затонувших предметов, снабженных звуковым отметчиком.

Для аппарата разработаны две системы ориентации (рис. 1.2):

система SPATE (Submarine Position and Tracking Equipment) для опре­ деления направления движения и положения аппарата относительно обеспечивающего корабля 4 и система PINS (Pisces Interin Navigatio­ nal System) для ориентации аппарата относительно фиксированных точек в районе его работы.

11

Система SPATE содержит три гидроакустических преобразова­ теля 1, 2, 3, жестко связанных с корпусом корабля, из которых сред­ ний 2 работает в режиме излучения, а два других 1,3 в режиме при­ ема. Сигналы излучателя вызывают автоматическое включение акусти­ ческого ответчика 7, установленного на аппарате. Сигнал ответчика принимается приемниками 1 и 3. По времени прохождения сигнала и известной глубине нахождения аппарата рассчитывается его местопо­ ложение. Система SPATE включает также дополнительный канал ко­ мандного управления аппаратом.

Система PINS использует для ориентации акустические буи-от­ ветчики 6, сбрасываемые на дно моря в районе, подлежащем обследо­

7

+

Рис. 1.3. Использование аварийно-спасательных средств

ванию, в определенной последовательности. Оператор подводного ап­ парата последовательно запрашивает ответчики и, ориентируясь на их сигналы и показания гирокомпаса, определяет направление движения аппарата. Двигаясь параллельными галсами от ответчика

кответчику, аппарат обследует всю заданную площадь.

Кнедостаткам аппарата «Pisces» следует отнести влияние на от­ ветчики шума винтов корабля 8, сигналов подводного телефона 5 и других помех, которые уменьшают точность ориентации.

Аппарат «Pisces-П» [111] имеет длину 7 м, ширину 3 м, высоту 3 м. Вес аппарата около 10 т. Команда состоит из трех человек. Глубина

погружения аппарата около 1000 м. Максимальная скорость хода — 4 узла. Аппарат предназначен для спасения затонувших торпед на глубинах до 700 м и установки исследовательской аппаратуры в районе Северного магнитного полюса. Для аппарата разработана специальная радиоэлектронная система для определения направления его движе­ ния.

12

Развитие подводного флота привело к необходимости создания средств спасения экипажей из затонувшей подводной лодки [94]. Комплекс аварийно-спасательных средств (рис. 1.3) включает обеспе­ чивающий корабль 1, радиогидроакустические буи 7, устанавливаемые с корабля или сбрасываемые с самолета в предполагаемом месте ава­ рии, самоходные или телеуправляемые, обитаемые или необитаемые аварийно-спасательные аппараты 3 и 5. На рисунке показана затонув­ шая подводная лодка 4 и подводная лодка 6, используемая в качестве носителя аварийно-спасательного аппарата. Наиболее распространены глубоководные аппараты DSRV (Deep submergence rescue vehicle)

[ 88].

Упрощенная схема такого аппарата без средств управления движе­

шей подводной лодкой и люка 5 для перехода личного состава. Вес аппарата около 30 т. Рабочая глубина

погружения до 1500 м. Дальность плавания около 30 миль при скорости судна 3 уз. Экипаж — три человека. Миниатюрная инерциальная система управления движением и бортовая ЭВМ обеспечивают опера­ тору получение достаточно точных данных для счисления пути и оп­ ределения местонахождения аппарата. На ЭВМ поступают и стати­ стически обрабатываются сигналы от буев-ответчиков, датчиков глу­ бины и скорости, имеющихся на аппарате. Результаты обработки используются для расчета положения, глубины и скорости аппарата.

Посадка аппарата на комингс-площадку затонувшей подводной лодки производится с помощью гидроакустической станции аппарата, его телевизионной установки при визуальном осмотре места посадки, освещенного прожекторами аппарата. Аппарат имеет также механи­ ческий манипулятор для захвата предметов с грунта.

В другом варианте аварийно-спасательной операции (см. рис. 1.3) обеспечивающий корабль катамаранной конструкции оснащается спе­ циальной гидроакустической поисковой системой с кормовыми и но­ совыми приемниками. В районе поиска с корабля или самолета сбра­ сываются радиогидроакустические буи 7, которые передают необхо­ димую информацию для ЭВМ, имеющейся на борту обеспечивающего корабля, для управления глубоководным аварийно-спасательным аппаратом 3 [90].

Аппарат транспортируется в район потопления на верхней палубе корабля. Спуск его в воду осуществляется на специальной платформе 2. По окончании операции снятия экипажа с затонувшей подводной лодки аппарат обнаруживает платформу, на которую должен возвратиться, по работе акустических маркерных ответчиков и мощных светильников, которыми она оснащена.

13

Если обеспечивающим кораблем является подводная лодка, то обратный рейс включает встречу и операцию стыковки спасательного аппарата с обеспечивающей подводной лодкой.

В дополнение к системе ориентации по счислению аппарат имеет радиоэлектронную систему точной ориентации по сигналам буев-ответ- чиков. Буи-ответчики сбрасываются в определенной последователь­ ности с обеспечивающего корабля в районе предполагаемого потопле­ ния подводной лодки. Сигналы запроса посылаются гидроакустической станцией аппарата. Аппарат имеет два маркерных ответчика, устанав­ ливаемых для ориентации при возвращении к обеспечивающему ко­ раблю.

Ориентация по сигналам ответчиков осуществляется использова­ нием одного или группы ответчиков [94]. Последний случай показан на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Ориентация по глубоководным ответчикам

1 — аппарат DSRV; 2 — сигналы от ответчиков; 3 — траектория движения аппарата; 4 — зона обзора водного пространства поисковыми приборами аппарата; 5 — буи-ответчики

Каждый ответчик имеет свой кодированный сигнал или отличную от других ответчиков рабочую частоту. Положение аппарата опреде­ ляется путем измерения расстояний между ним и каждым из ответчи­ ков по времени прохождения акустического сигнала. Решение геомет­ рической задачи о взаимном положении ответчиков и аппарата весьма сложно. Ошибки из-за рефракции, аномалий распространения сигнала и других помех велики.

Поиск морских объектов при аварийно-спасательных и промышлен­ ных операциях. Основой проведения аварийно-спасательных и про­ мышленных операций является решение задачи поиска затонувшего предмета (например, аварийной подводной лодки) или поиска района, в котором должны проводиться промышленные работы (например, ремонт трубопровода). Процесс поиска требует осмотра некоторого объема водного пространства или поверхности дна моря. Эффективность поиска оценивается вероятностью обнаружения предмета поиска за кратчайшее время. Она определяется техническими характеристи­

14

нами подводного аппарата и расположенной на нем радиоэлектрон­ ной системы.

К основным поисковым характеристикам подводного аппарата относятся:

—предельная глубина поиска;

—скорость и траектория поиска;

—зона обнаружения радиоэлектронной системы, т. е. простран­ ственная область, в пределах которой осуществляется обнаружение предмета поиска (район поиска обычно существенно превосходит по своим размерам зону обнаружения);

Рис. 1.6. Двухчастотная система обнаружения

— разрешающая способность радиоэлектронной системы, обеспе­ чивающая распознавание предмета поиска от других предметов.

Одной из разновидностей систем поиска является гидроакустичес­ кая система, описанная в патентной литературе США.1 Система пред­ назначена для обнаружения и определения расстояний до предметов, лежащих на дне или на небольшой глубине в грунте.

Характеристика направленности системы формируется на двух различных частотах /у и / 2. Она имеет вид, показанный на рис. 1.6, а. Для каждой из рабочих частот имеется свой приемный канал, включаю­ щий блок обработки поступающей информации и аппаратуру управле­ ния. Обнаружение объектов плавающих и лежащих на грунте осу­ ществляется на более высокой частоте, а объектов в грунте — на более

15

зависит от угла раствора а, характеристики направленности и угла падения 0. Минимальное заглубление объекта d уменьшается с увели­ чением угла 0 (рис. 1.6, в).

Для поиска объектов на грунте и различных гидрографических исследований в иностранных флотах применяются гидролокаторы бокового обзора [24, 106]. В гидролокаторах этого типа диаграмма направленности (рис. 1.7) ориентирована перпендикулярно продоль­ ной оси носителя. Она имеет узкий раствор в горизонтальной плоскости х — у и широкую диаграмму направленности в вертикальной плоскости

Z — 1J.

В процессе поиска объектов после этапа обнаружения следует этап распознавания. В ряде случаев разрешающая способность систем

У

Рис. 1.7. Схема бокового обзора

обнаружения оказывается недостаточной для распознавания объектов. Тогда прибегают к использованию средств подводного фотографиро­ вания. Так, при поисках подводной лодки «Трешер», после обнаруже­ ния обломков в предполагаемом районе ее гибели, было произведено уточнение их принадлежности «Трешеру». При этом средства под­ водного телевидения оказались неэффективными. Принадлежность отдельных обломков «Трешеру» была установлена по анализу фото­ снимков, сделанных в количестве более 20 тыс.

Несмотря на определенные недостатки подводного телевидения, оно, тем не менее, широко используется при поисках затонувших предметов и осмотре придонных слоев океана. Телевизионные уст­ ройства входят, как правило, в комплекты поисковой аппаратуры.

Наряду с телевизионными системами, в последние годы начали раз­ рабатываться и проходить испытания системы звуковидения и соно­ графии. Подводные звуковизоры представляют собой устройства, преобразующие акустические сигналы в электрические. Они дают

16

возможность получить телевизионное изображение обследуемого пред­ мета. Приемно-излучающая система состоит из гидроакустического излучателя и приемной звуковой линзы. Зондирующие импульсы вы­ сокой частоты, отражаясь от элементарных участков цели, поступают на приемную линзу. Они фокусируются на соответствующий участок сложной системы приемников. Набор приемников отображает с опре­ деленным разрешением экран телевизионного индикатора. Считывая сигналы с приемников поочередно и подавая их после усиления на индикатор, можно получить телевизионное изображение обследуемого предмета.

Трудности в применении подводного звуковидения связаны с не­ обходимостью использования высоких частот порядка нескольких мегагерц, имеющих значительный коэффициент затухания в морской воде. Последнее ограничивает дальность действия систем до нескольких метров.

К современным способам ближнего распознавания могут быть также отнесены сонографические устройства, использующие принципы голо­ графии с заменой монохроматического пучка света гидроакустическим лучом. Следует ожидать, что сонография позволит создавать системы распознавания, которые будут иметь преимущества перед телевизион­ ными. Однако практическая реализация сонографических устройств встречает затруднения, связанные со значительной сложностью аппаратуры.

В 1970 г. лабораторией «Columbia Broadcasting System» было раз­ работано сонографическое устройство для получения трехмерного динамического изображения подводной обстановки [99]. Однако дальность его действия оказалась чрезвычайно малой и практического применения устройство не нашло.

При поиске морских объектов используются комбинированные системы, в которых один из каналов делается дежурным для вклю­ чения другого канала. Такая система была, например, использована при поиске подводной лодки «Трешер», когда магнитный канал был включающим для канала фотографирования.

Наряду с совершенствованием описанных устройств, ведутся ра­ боты по созданию оптического устройства распознавания [55]. Уст­ ройство предназначено для визуального обследования затонувших объектов, например .подводных лодок. В отличие от устройств, осно­ ванных на гидроакустических принципах подводного видения, опти­ ческое устройство имеет более высокую разрешающую способность. Оно позволяет различать цвета, надписи на затонувших объектах.

Разнообразие условий поиска потребовало разработки вспомога­ тельной аппаратуры различного типа. Специфика этих условий пред­ определяет и требования к вспомогательной аппаратуре. В одних слу­ чаях необходимо обнаружить затонувший предмет и точно обозначить

необходимость непосредственного контакта с ним с целью спасения эки­ пажа или подъема объекта на корабль. При использовании букси­ руемых или самоходных подводных аппаратов и наведении их на объект2

поиска необходимо знать относительное положение трех объектов: обеспечивающего корабля, поискового подводного аппарата и искомого

объекта.

Решение задачи поиска в части навигационного обеспечения сво­

дится к следующему:

— известными методами навигации определяется место обеспечи­

вающего корабля;

— в относительной системе координат, связанной с кораблем, уста­ навливается текущее место подводного аппарата по отношению к ко­

раблю;

— определяется положение предмета поиска в системе координат, связанной с подводным аппаратом.

Рис. 1.8. Схема буксировки поискового аппарата

В качестве примера укажем на способ ориентации буксируемого аппарата [55]. Этот способ требует кабельного канала связи (рис. 1.8). Для обеспечения измерений буксируемый аппарат 1 имеет гидроакусти­ ческий излучатель 2, ориентированный на гидроакустический приемник корабля 3 и гидростатический датчик глубины 5. По кабель-тросу 4 на излучатель от корабельного генератора поступает частотно-модули- рованный сигнал. Электрический сигнал преобразуется излучателем в акустический и передается в направлении приемника. Определение пеленга а осуществляется по сигналам излучателя путем поворота приемника. Величина наклонной дальности I определяется по разности характеристик переданного и принятого частотно-модулированного сигнала. Глубина буксировки аппарата h определяется по показаниям датчика глубины, которые передаются на корабль по кабель-тросу в кодированном виде. По текущим значениям а, I и h на корабле опре­ деляются координаты аппарата относительно корабля. Рассмотренная

18

система ориентации позволяет получить точность по пеленгу 0,5—1° и по дистанции 0,3—0,5 м.

Контроль и дистанционное управление морскими объектами. От­

дельную группу радиоэлектронных систем морских объектов состав­ ляют системы контроля и дистанционного управления различными подводными средствами. В задачу этих систем входит: ■

—передача командных сигналов на подводные установки;

—контроль за состоянием установки и за исполнением командных сигналов отдельными узлами механизмов;

—передача результатов подводных измерений на обеспечивающий корабль с целью корректировки командных сигналов;

1

— проверка состояния подводных сооружений — трубопроводов, гидротехнических сооружений и т. п.

Типичная для рассматриваемой группы систем схема работы пока­ зана на рис. 1.9. В системе используется гидроакустический канал связи.

Обеспечивающий корабль 1 имеет корабельную 2 или буксируе­ мую 3 гидроакустическую приемно-излучающую систему. Ответные сигналы поступают от радиоэлектронной системы управляемого объекта 4. В систему входит автономный контейнер 5 с гидроакусти­ ческой приемно-излучающей системой 6. Аппаратура контейнера обес­ печивает передачу командных сигналов на соответствующие элементы работающего механизма, сбор данных с датчиков, контролирующих состояние управляемых элементов механизма, и другую информацию. Опрос датчиков производится оператором с обеспечивающего корабля через пульт управления.

Большое внимание при разработке рассматриваемых систем обра­ щается на их помехоустойчивость.

В системах «Ratac-5600» и «Ratac-1200» (США), первая из которых предназначена для разведки и добычи ископаемых со дна, а вторая —