Материал: Проектирование судового измерительно-вычислительного комплекса, предназначенного для осуществления измерений навигационных параметров судна и их дальнейшей математической обработки

а) поперечной составляющей скорости судна ():

;  (5)

б) продольной составляющей скорости судна

;  (6)

в) пропорциональной горизонтальной составляющей напряженности МПЗ , продольной  и поперечной скоростям и зависит от магнитного курса :

.

На практике проводники располагают в плоскости горизонта XOY и при отсутствии крена и дифферента индуцируемые в них ЭДС определяются уравнениями (5) и (6), из которых определяются скорости:

.

При наличии на судне двух измерительных проводников, то есть при одновременном измерении  и , можно определить полную скорость судна  относительно МПЗ  и ее направление относительно диаметральной плоскости, то есть угол сноса [3]

.

Рассмотрим общий случай движения судна под воздействием его движителей, ветра и течения (рисунок 3.4)

На рисунке 3.4 использованы следующие обозначения

 - вектор скорости судна от движителей;

 - вектор скорости судна от ветра;

 - скорость судна относительно воды;

 - вектор скорости течения;

 - абсолютная скорость (относительно грунта);

 - угол ветрового дрейфа;

 - угол сноса судна от течения;

 - угол суммарного сноса;

 - угол направления течения.

Проекции вектора абсолютной скорости (продольная и поперечная составляющие):

Рисунок 3.4 - Схема измерения течения на ходу судна

При расположении измерительного проводника в горизонтальной плоскости, индуцируемая в нем ЭДС, при условии , в соответствии с

уравнением (4) равна:

,  (7)

где  - угол расположения измерительного проводника относительно диаметральной плоскости судна.

Для нахождения полного вектора течения надо определить составляющие течения на двух различных курсах (рисунок 3.5) ИК1 и ИК2.

Рисунок 3.5 - Измерение составляющих вектора течения на двух курсах

На  определяется проекция  на ось OY1 - , на  - .

Для нахождения величины  и его направления , определим проекции  в географической системе координат :

  (8)

и на другом курсе:

   (9)

Из уравнений (8) и (9) определяются проекции вектора течения  через составляющие :

Тогда модуль и направление вектора течения:

.

Аналогично можно определить вектор течения в системе координат , соответствующей , и в системе координат , соответствующей :

для первого курса

для второго курса

где  - направления течения для курсов судна  и  соответственно. Направление течения в этом случае в географической системе координат можно рассчитать по формулам  или .

В зависимости от расположения измерительного проводника (угла ) возможны различные конструктивные модификации измерителей, позволяющие получить и различную информацию о скорости перемещения судна.

В случае, когда используется измерительный проводник с жестко закрепленными на корпусе судна электродами, размещение его возможно вдоль диаметральной плоскости судна и перпендикулярно к ней.

Рисунок 3.6 - Измерение скорости с помощью проводника с жестко закрепленными на корпусе судна электродами.

При расположении проводника вдоль ДП (рисунок 3.6), то есть при , ЭДС

индукции в соответствии с (7) равна

,

то есть ЭДС пропорциональна поперечной составляющей . При отсутствии дрейфа ():

.

Таким образом, при отсутствии дрейфа при применении жестко закрепленного на судне измерительного проводника измеряется величина поперечной составляющей вектора течения .

Для получения полного вектора течения необходимо измерить его составляющие на двух различных курсах, а затем вычислить величину и направление вектора .

При расположении измерительного проводника перпендикулярно к ДП () можно определить продольную составляющую скорости перемещения судна относительно грунта. Индуцируемая в проводнике ЭДС в этом случае равна

.

,

то есть будет пропорциональна скорости судна относительно воды и продольной составляющей скорости течения.

Применение двух взаимно перпендикулярных измерительных проводников (продольного и поперечного измерителей) позволяет определить полный вектор скорости  и суммарный снос .

Исходными данными для расчета базового расстояния  геоэлектромагнитного измерителя являются: чувствительность измерительного прибора ; требуемая точность измерения скорости ; напряженность вертикальной составляющей магнитного поля Земли  (определяется по известной широте местоположения судна ).

Базовое расстояние между измерительными проводниками

.

Корреляционный лаг

Принцип действия корреляционных лагов заключается в измерении времени сдвига между двумя акустическими сигналами, излучаемыми с движущегося судна, отраженными от морского дна и принятыми размещенными в направление судна антеннами.

Отраженные сигналы из-за микронеровностей судна - спектр лучей с различной временной задержкой случайного характера.

Измерение задержки - определяется максимальным взаимодействием корреляционной функции двух эхолотов Rxy.

Рисунок 3.7 - Принцип действия корреляционного лага

На рисунке показаны три расположенные в диаметральной плоскости антенны с одинаковыми дистанциями направленности, которые перекрывают друг друга. Излучающая антенна 3 находиться между приемными 1 и 2. В момент t1 на приемнике 1 будет принят эхосигнал излучателя 3, отраженный от дна в контрольной точке, т.е. зависящий от характера и структуры грунта и от проходимости ими в воде расстояния. Амплитуда и фаза принятого сигнала определяется траекторией лучей R3 и R1(рис. а). Рельеф дна воспроизведенный в антенне 1, как непрерывный профиль, рассмотрим как реализацию случайной функции Rx(график), т.е. корреляционную функцию этого сигнала.

Через t судно переместиться на расстояние L( рисунок б). Антенна 3 займет положение антенны 1, а 2-3 R’3 и R2 повторяет предыдущую траекторию, но в противоположном направлении. Но изменение направления сигнала не меняет его амплитуды и фазы и реализация случайной функции Rу близка к Rх , т.е. в этой точке сильная корреляция слоев. Поэтому взаимная корреляционная функция равна:

в данной точке максимальная.

Это справедливо для любой точки морского дна, которая находится в зоне, перекрываемыми диаграммами направленности, запаздывание равно отношению пройденного расстояния к скорости судна:

не зависит от скорости волны, что является важным преимуществом перед доплеровским лагами.

То есть измерение скорости состоит в нахождение времени сдвига сигналов, принятыми антеннами 1 и 2. Это осуществляется путем корреляционный обработки принтых сигналов. Поэтому в канал 1-го сигнала вводят временную задержку t3 и изменяют ее, пока не наступит max Rxy, t3=t1.

Кроме независимости от скорости звука, к достоинствам относятся широкие пределы использования по углам качки за счет широких диаграмм направленности антенн. Лаг в импульсном режиме восполняет функции эхолота.

В качестве такого лага в данном ИВК используется лаг SAL - 840(Швеция) с диапазоном измеряемых скоростей от 0 до +30 узлов. Погрешность измерения по скорости  0,1 узла, по расстоянию 1 %, рабочая глубина до 300 м, fраб=180кГц; ширина диапазона направленности 30, расстояние между преобразователями 2L=3см; одновременное измерение глубин до 200 м с точностью ±1%; общая масса 40 кг.

В комплект приборов лага SAL-840 входят:

·   гидроакустический преобразователь (Transducer), установленный в клинкете (Sea-valve);

·   электронный блок (Electronics unit);

·   распределительная коробка (Distribution box);

·   цифровой указатель скорости и расстояния (Digital speed/ distance display);

·   аналоговый указатель скорости и расстояния (Analogue speed distance display);

·   указатель глубины (Depth display).

Гидроакустический преобразователь (трансдьюсер) содержит пьезоэлектрические элементы, размещенные в едином корпусе диаметром 92 мм. Трансдьюсер установлен в клинкете заподлицо с днищем судна. Акустические волны излучаются вертикально вниз. В режиме WT используется частота 4 MГц (импульсный вариант). Звук отражается от частиц в воде с глубины 12 см, при этом измеряется относительная скорость судна. В режиме ВТ применяется частота 150 кГц. Звук отражатся от грунта. Вычисление скорости V производится в компьютерном блоке (на основе корреляционной функции) по формуле:

,

где S - расстояние между носовым и кормовым элементами транса, Т - время задержки сигнала, определяемое электронным коррелятором.

Число приемников КЛ и их размещение зависит от решаемых задач. Для измерения продольной составляющей скорости судна достаточно иметь два приемника, разнесенных в диаметральной плоскости судна. Наличие неучтенного угла сноса приводит к относительной погрешности измерителей.

где l - угол сноса, =0,5°; V=0.4%

Полный вектор скорости с учетом угла скоса определяется с помощью 3х приемных антенн. Варианты размещения которых показаны на рисунке а) и б)

; ; ;