Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2016, № 11. Часть 3

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 11 
 
Часть 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2016 

УДК 621.86/87                                                                             ISSN 2071-6168 
 
 
Известия Тульского государственного университета. Технические науки.  
Вып. 11. Ч. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 156 с.
 
Представлены материалы Одиннадцатой Всероссийской научнопрактической конференции «Перспективные системы и задачи управления» (секции «Системы и средства связи, навигации и наведения» и «Системы технического зрения и бортовых вычислителей»), состоявшейся 4 – 8 
апреля  2016 г. в г. Евпатории (Республика Крым).  
Тематика охватывает вопросы создания систем управления различными объектами, обработки информации в навигационных спутниковых и 
интегрированных системах; построения инерциальных навигационных 
систем и их чувствительных элементов, систем коррекции инерциальных 
навигационных систем; разработки электронных и электромеханических 
устройств систем управления; робототехнических систем и систем технического зрения. 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, А.Ю. ГОЛОВИН, В.Н. ЕГОРОВ, 
В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, В.М. ПЕТРОВИЧЕВ  
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), С.Н. Ларин (зам. отв. редактора), 
Б.С. 
Яковлев 
(отв. 
секретарь), 
И.Л. 
Волчкевич, 
Р.А. 
Ковалев,  
М.Г. Кристаль, А.Д. Маляренко (Республика Беларусь), А.А. Сычугов,  
Б.С. Баласанян (Республика Армения), А.Н. Чуков  
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 

Сборник 
зарегистрирован 
в 
Федеральной 
службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).  
ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г.  
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих 
научных 
журналов 
и 
изданий, 
выпускаемых 
в 
Российской Федерации, в которых должны быть 
опубликованы научные результаты диссертаций на 
соискание учёной степени доктора наук 
 
© Авторы научных статей, 2016 
© Издательство ТулГУ, 2016 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3 
 

 
4

стических навигационных систем: корреляционно-экстремальных [2,3], 
доплеровских [4 – 6], короткобазисных [7 – 9], обеспечивающих точное 
местоопределение в надводном положении на акватории летного бассейна 
(ЛБ) гидроаэродрома в реальном времени. 
С целью обеспечения эффективности взлетно-посадочных действий 
и маневрирования магистральных днищевых ГС ранее [10, 11] было предложено использовать многопозиционный мониторинг как воздушного, так 
и водного приповерхностных слоев взлетно-посадочной полосы (ВПП) на 
акватории ЛБ гидроаэродрома с помощью радиолокационных станций 
(РЛС) и гидроакустических систем (ГАС) ближнего подводного наблюдения соответственно. В частности, оперативность гидроакустического мониторинга ВПП может быть обеспечена при ультразвуковом зондировании 
в направлении «снизу вверх» ее частей, отображении и анализе полученных данных. Причем, помехи взаимного влияния соседних приемоизлучающих антенных устройств (ПАУ) [12] снижены за счет использования 
«индивидуальных» наборов частот ультразвуковых локационных сигналов, 
формирующихся 
в 
водной 
среде, 
обладающей 
нелинейностью  
упругих свойств (самовоздействия и взаимодействия мощных волн накачки).  
С целью оперативного прояснения подводной обстановки [10] на 
ЛБ гидроаэродрома необходимо оборудовать дно прибрежного участка 
водной акватории стационарными ПАУ-4 (×), являющимися элементами 
сетевой системы как подводного наблюдения, так и навигации в надводном положении ГС, вспомогательных судов и т.д. ПАУ-4 (×) выполнены из 
m  (192 шт.) одинаковых электроакустических преобразователей (ЭАП), 
апертуры которых аппроксимируют полусферическую поверхность, а акустические оси - равномерно распределены в полупространстве (80 при 
уровне 0,7 перекрывания основных лепестков характеристики направленности (ХН) ЭАП из одной точки, являющейся фазовым центром полусферы (диаметр 0,63 м, резонансная частота ЭАП 
кГц
f
250
0 =
, диаметр ЭАП  
0,059 м, 11 рядов ЭАП).  
Преимущества отдельных ПАУ-4 (×) при эхопоиске на мелководье 
подробно описаны в работах [13, 14], кроме того, было отмечено как  перспективное комплексное использование донной сетевой структуры из всех 
ПАУ-4 (×) для решения навигационных задач на акватории. В данном случае может быть полезно использована возможность создания в окружающем водном пространстве каждым ПАУ-4 (×) индивидуальной «частотноокрашенной» ультразвуковой освещенности, которая квантована по m  телесным секторам в полусфере. В результате на заданном участке акватории гидроаэродрома на границе раздела «вода – воздух» будет сформировано индивидуальное распределение «частотно-окрашенных» пятен подводной «засветки», являющихся отдельными точками заданной траектории 

Навигационные системы, приборы, исполнительные устройства и системы наведения 
 

 
5

движения любого надводного плавсредства, снабженного короткобазисной 
навигационной системой (КНС), использующей принцип пеленгования источника ультразвукового сигнала методом равносигнальной зоны.  
Таким образом, каждое отдельное ПАУ-4 (×) из донной сетевой 
структуры аналогичных устройств может быть использовано в качестве 
«всенаправленного» блока из m  «приводных» гидроакустических донных 
маяков (ГДМ), излучение которых обеспечено путем возбуждения каждого 

−
i го ЭАП, где 
)
1(
m
i
÷
=
, «индивидуального» бигармонического сигнала с 
частотами 
i
i f
f
2
1 ,
, находящимися в его полосе пропускания.  
Следует отметить, что для каждого из m  направлений ультразвукового облучения водной толщи гидроаэродрома можно использовать нелинейный режим генерации «приводных» полигармонических сигналов, 
включающих «оригинальные» наборы низкочастотных 
|
|
1
2
i
i
i
f
f
F
−
=
 и высокочастотных 
,...)
3,2
(
1
,
2
,...
1
2,
2
2,
1
2
=
+
=
+
n
i
nf
i
nf
i
f
i
f
i
f
i
f
f
 спектральных составляющих, формирующихся в водной среде при распространении мощных сигналов накачки с частотами 
i
i f
f
2
1 ,
. 
Рассмотрим возможность применения донного ПАУ-4(×) в качестве 
блока из m  ГДМ – элементов сетевой системы для обеспечения местоопределения и навигации в условиях ограниченной видимости (низкая облачность, маскирующее действие гидрометеоров, ночное время и т.д.) при 
надводном движении БГС на акватории ЛБ гидроаэродрома по маршруту, 
безопасному для плавания, например, при движении по определенному 
фарватеру в пределах узкости и гавани, при входе в поворот и т.п. Например, для обеспечения движения БГС по отрезку прямолинейной траектории в надводном положении по оси ВПП, обозначенной ПАУ-4(×), можно 
использовать возможность формирования одновременно  как минимум 
двух  ультразвуковых «приводных» пучков сигналов накачки от двух ЭАП 
каждого от этих «осевых» ПАУ-4(×) (рис.1), [12]. 
В данном случае горизонтальные проекции акустических осей двух 
ЭАП будут совпадать как друг с другом, так и осью ВПП, «пятна засветки» 
от каждого пучка – как друг с другом, так и с траекторией движения на 
водной поверхности БГС (рис.1). Для обеспечения движения БГС по заданной траектории может быть использован один из вариантов КНС 
(рис.2) [8,9]. 
Рассмотрим функционирование КНС [8,9] (см. рис.2), которая установлена на борту БГС. Излучающий тракт береговой гидроакустической 
службы гидроаэродрома, подключенный через многоканальный коммутатор к  −
i му ЭАП-5 одного из ПАУ-4 (×), включает в себя источник питания 1, генератор 2, вырабатывающий гармонический сигнал с частотой f , 
хронизатор-модулятор 3 и усилитель мощности 4. При распространении в 
водной среде, обладающей нелинейностью упругих свойств, мощный им

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3 
 

 
8

При нахождении «приводного» ЭАП-5 донного ПАУ-4 (×) на линии, проходящей через точку пересечения основных лепестков ХН обеих 
групп ЭАП-6 и ЭАП-7 КНС и называемой линией равносигнального направления, 
электрические 
сигналы 
обоих 
каналов 
равны 
(или 

)
(
2
)
(1
f
f
U
U
=
, или 
)
2
(
2
)
2
(1
f
f
U
U
=
…..) и напряжение U
∆
 равно нулю, что 

и будет регистрироваться устройством отображения информации 16 (см. 
рис. 2). Напряжение, пропорциональное величине угла поворота ϕ
∆  равносигнального направления групп ЭАП-6 и ЭАП-7 КНС [8,9] с дополнительного выхода компенсатора 8, поступает на первый вход устройства отображения информации 16, которое индицирует информацию об угловой 
координате пеленгуемого ЭАП-5 ПАУ-4 (×). В предлагаемой КНС [8,9] 
пеленгование осуществляется на нескольких акустических сигналах с частотами 
nf
f
f
,...,
2,
, что позволяет регулировать точность пеленгования 
ЭАП-5 ПАУ путем уменьшения угловой ширины основных лепестков ХН 
групп ЭАП-6 и ЭАП-7 в режиме приема для более высокочастотных сигналов. Тракт обработки КНС [8,9] (см. рис. 2) объединяет n  двухканальных цепочек, содержащих последовательно включенные полосовые 
фильтры 9, настроенные на частоты 
nf
f
f
,...,
2,
, усилители 10 и детекторы 
11, выходные электрические сигналы с которых подаются попарно через n
-входовые аналоговые ключи 12 на входы вычитающего устройства 13. 
Выход вычитающего устройства 13 соединен со вторым входом устройства отображения информации 16. Выбор обрабатываемого «приводного» 
сигнала ( f  или 
f
2 )  осуществляется путем подачи с блока управления 17 
сигналов на управляющие входы n - входовых аналоговых ключей 12, что, 
в свою очередь, определяется необходимой точностью определения местоположения ЭАП-5 ПАУ с борта БГС. С выходов детекторов 10 соответствующих 
n  
цепочек 
второго 
канала 
видеоимпульсные 
сигналы 

)
(
2
)
2
(
2
)
(
2
,....,
,
nf
f
f
U
U
U
 подаются на входы измерителей амплитуд 14, ре
гистрирующих амплитуды сигналов основной частоты f  пеленгуемого 
ЭАП-5 ПАУ и сформировавшихся высших гармоник 
nf
f
f
,...,
3,
2
 в  
момент 
точного 
его 
пеленгования. 
По 
соотношению 
уровней  
сигналов 
)
(
2
)
2
(
2
)
(
2
,....
,
nf
f
f
U
U
U
 (и соответственно звуковых давлений 

n
P
P
P
P
,......
,
,
3
2
1
) с помощью вычислительного блока 15 можно рассчитать 
расстояние z  до ЭАП-5 ПАУ. Причем, полученная информация поступает 
на третий вход устройства отображения информации 16. 
Оценим энергетическую дальность действия ПАУ-4(×), т.е. дистанции пеленгации ЭАП-5 ПАУ с борта БГС как блока из m  ГДМ-элементов 
сетевой системы на акватории гидроаэродрома. Расчет минимально обнаруживаемых уровней «приводного» излучения проведем для сигналов: накачки 
250
=
f
кГц, второй гармоники 
500
2
=
f
 кГц, разностной 
20
=
F
 кГц, 

Навигационные системы, приборы, исполнительные устройства и системы наведения 
 

 
9

генерируемых ЭАП-5 в параметрическом режиме излучения [7]. Примем 
величины уровней шумов (в дБ) относительно 2×10- 5 Па и приведенное 
звуковое давление помех на частоте 1 кГц в полосе частот 1 Гц при ненаправленном приеме на частотах: f  = 250 кГц → 30 дБ и 
)
( f
пр
р
= 63,2×10 
5Па; 
f
2  = 500 кГц → 25 дБ и 
)
2
( f
пр
р
= 35,6×10-5 Па, F  = 20 кГц → 50 дБ и 

)
(F
пр
р
= 632×10-5 Па [16]. Тогда звуковое давление помех 
П
р
, вычислен
ное для частоты f  в полосе частот 
f
∆ =100 Гц при направленном приеме  
( П
γ
- коэффициент осевой концентрации группы ЭАП 6 КНС при радиусе 
0,1м), составит: f = 250 кГц –
)
( f
П
р
=0,024×10 -5 Па (
)
( f
П
γ
= 9860); 
f
2

=500 кГц –
)
2
( f
П
р
=0,0034×10-5Па (
)
2
( f
П
γ
 = 32867); F =20 кГц - 
)
(F
П
р
= 

=71×10-5Па (
)
2
(
f
П
γ
=108). В данном случае величины приведенных звуковых 
давлений с учетом затухания 
)
( 
1 
f
М
ПР
P
, 
)
2
( 
1 
f
М
ПР
P
,
)
(F
 
1 М
ПР
P
 акустиче
ских сигналов, формируемых ЭАП 5 ПАУ 4 (×) на расстояние одного метра от его поверхности, составят 0,2322·105, 0,0277·105, 0,0008·105 (Па×м) 
соответственно. Значения коэффициентов затухания α  (дБ/м) на соответствующих частотах (1/с) рассчитывались для пресной воды с загрязнениями по соотношению α =2,4×10-10×
5
,1
f
 [16]: f =250 кГц - 
f
α =30 (дБ/км); 
f
2
=500 кГц - 
f
2
α
=85 (дБ/км); F =20 кГц - 
F
α
=0,68 (дБ/км), а для морской 

воды выбирались из таблиц [15]: f =250 кГц - 
f
α =86 (дБ/км); 
f
2 =500 кГц 

- 
f
2
α
=172 (дБ/км); F =20 кГц - 
F
α
=1,72 (дБ/км). 

Представленных выше данных достаточно для того, чтобы с помощью 
уравнений 
пассивного 
локатора 
=
−
F
f
f
F
f
f
TL
SL
,
2,
,
2,
  

=
DT
NL
F
f
f
+
,
2,
 [17] оценить дальность действия КНС [8,9] на рабочих 

сигналах: f =250 кГц; 
f
2
=500 кГц; F =20 кГц. В уравнениях для сигналов 
с частотами f ,
f
2 , F  только одно слагаемое – параметр, относящийся к 
приемному тракту КНС, будет неизменным: порог обнаружения DT = 

δ
lg
20
 = 12 дБ, где δ=4 – коэффициент распознавания. Остальные же слагаемые (параметры) будут разными: 
 )
,
2,
1ММ
 
ПР
,
2,
lg
20
F
f
f
F
f
f
P
SL
=
– 

уровни источников «приводных» сигналов с частотами 
F
f
f
,
2,
 (дБ) относительно 1 мкПа на акустической оси для удаления 1м от ЭАП-5; 
z
z
TL
F
f
f
F
f
f
⋅
α
+
+
=
)
,
2,
(
,
2,
)
lg
3
(
20
 – потери акустической энергии «при
водных» сигналов с частотами 
F
f
f
,
2,
 в среде за счет сферического расширения волнового фронта при «прямом» распространении и затухании 
(дБ); 
]
lg[
20
5,0
)
,
2
,
(
,
2
,
5,0
)
,
2
,
(
)
,
2
,
(
,
2
,
F
f
f
пр
F
f
f
F
f
f
F
f
f
nc
F
f
f
f
f
p
NL
γ⋅
∆
⋅
=
 – уровень шума на 
частотах 
F
f
f
,
2,
 в месте расположения обоих групп приемных ЭАП-6 и 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3 
 

 
10

ЭАП-7 КНС (дБ) относительно 1 мкПа (
)
,
2,
(
F
f
f
nc
p
- суммарный уровень 

помех на частотах 
F
f
f
,
2,
 в месте установки антенны, приведенный к 
стандартным условиям, Па; 
)
,
2,
(
F
f
f
f
∆
– ширина полосы пропускания при
емного тракта для частот 
F
f
f
,
2,
, Гц; 
)
,
2,
(
F
f
f
f
 – значение рабочей час
тоты 
F
f
f
,
2,
 пеленгования КНС, кГц; 
)
,
2,
(
F
f
f
np
γ
 – коэффициент направ
ленности (концентрации) при приеме на частотах 
F
f
f
,
2,
).  
Таким образом, левая часть уравнений пассивного локатора - выраженные в децибелах относительно эталонного уровня 1мкПа величины амплитуд звукового давления «прямых» сигналов (Direct Signal Level, DSL) 
«приводной акустической подсветки» с частотами 
F
f
f
,
2,
 на оси полигармонического ультразвукового пучка, которые с учетом сферического расширения волнового фронта и затухания последних может обеспечить 
ЭАП-5 используемого ПАУ в месте расположения на ГС обеих групп приемных ЭАП-6 и ЭАП-7 КНС, правая часть – пороговые уровни этих же 
сигналов, при которых еще обеспечивается надежная работа КНС ГС в 
указанных условиях. Совокупность численных значений этих параметров 
для сигналов с частотами f ,
f
2 , F , нанесенная на поле графиков с осями «
,
,
,
2
F
f
f
DSL
DSL
DSL
дБ – дальность z , км», позволит оценить максималь
ные дальности пеленгации ЭАП-5 ПАУ с борта БГС с помощью КНС [8,9].  
На рис. 4 представлена диаграмма параметров КНС [8,9] для пеленгации «приводного» −
i го ЭАП-5 используемого ПАУ с борта БГС как в 
пресной, так и в морской воде, включающая в себя следующие зависимости: 
1) кривые 
F
DSL
 (•−•−•−), 
f
DSL2  (- - -), 
f
DSL  (), отображаю
щие характеристики расчетного режима работы ЭАП-5 используемого 
ПАУ; 
2) прямые 
DT
NL F +
)
(
(•−•−•−), 
DT
NL f
+
)
(
(- - -) и 
DT
NL
f +
)
2
(
(), отображающие при заданном пороге обнаружения DT  уровни маскирующей шумовой помехи в месте установки групп приемных ЭАП-6 и 
ЭАП-7 на движущемся со скоростью υ =8 узлов в надводном положении 
БГС на частотах 
f
f
F
2,
,
 рабочих сигналов КНС при одинаковой ширине 
полосы пропускания приемных трактов (100 Гц). 
Из совместного анализа расчетных графиков, представленных на  
рис. 4, следует, что КНС [8,9] обеспечивает уверенное пеленгование «приводного» гидроакустического маяка при движении БГС на рабочих частотах: разностной F =20 кГц - с дистанций 
пресн
(max)
F
z
≈20 км (пресная во
да) и 
морск
(max)
F
z
≈ 12 км (морская вода), накачки f =250 кГц – с дистан
ций 
пресн
(max)
f
z
≈ 4 км (пресная вода) и 
морск
(max)
f
z
≈ 2,3 км (морская во