WikiDer > Система подводного акустического позиционирования - Википедия

Underwater acoustic positioning system - Wikipedia

An система подводного акустического позиционирования[1][2] представляет собой систему отслеживания и навигации подводных аппаратов или водолазов посредством акустических измерений расстояния и / или направления и последующей триангуляции положения. Системы подводного акустического позиционирования обычно используются в самых разных подводных работах, включая разведку нефти и газа, науки об океане, аварийно-спасательные работы, морская археология, правоохранительная и военная деятельность.

Метод работы

На рисунке 1 показан общий метод работы акустической системы позиционирования.[3] это пример системы позиционирования с длинной базой (LBL) для ROV

Рисунок 1: Метод работы системы акустического позиционирования с длинной базой (LBL) для ROV
Развертывание и обследование базовой станции

Акустические системы позиционирования измеряют позиции относительно базовых станций, которые должны быть развернуты до начала операций. В случае системы с длинной базой (LBL) набор из трех или более базовых транспондеров развертывается на морском дне. Расположение базовых транспондеров либо относительно друг друга или в глобальные координаты затем необходимо точно измерить. Некоторые системы помогают в решении этой задачи с помощью автоматического акустического самообследования, а в других случаях GPS используется для определения положения каждого базового транспондера при его развертывании или после развертывания.

Отслеживание или навигация

После базового развертывания и исследования система акустического позиционирования готова к работе. В примере с длинной базой (см. Рис. 1) запросчик (A) установлен на ROV, который должен отслеживаться. Запросчик передает акустический сигнал, который принимается базовыми транспондерами (B, C, D, E). Ответ базовых транспондеров снова поступает на ROV. Время пролета сигнала или соответствующие расстояния A-B, A-C, A-D и A-E передаются через шлангокабель ROV (F) на поверхность, где положение ROV вычисляется и отображается на экране отслеживания. Измерения акустического расстояния могут быть дополнены данные датчика глубины для повышения точности позиционирования в трехмерном подводном пространстве.

Системы акустического позиционирования могут обеспечивать точность от нескольких сантиметров до десятков метров и могут использоваться на рабочем расстоянии от десятков метров до десятков километров. Производительность сильно зависит от типа и модели системы позиционирования, ее конфигурации для конкретной работы и характеристик подводной акустической среды на рабочем месте.

Классы

Системы подводного акустического позиционирования обычно делятся на три основных типа или класса.[4][5]

Системы с длинной базой (LBL)Как показано на рисунке 1 выше, используйте базовую ретрансляционную сеть для морского дна. Транспондеры обычно устанавливаются в углах производственной площадки. Системы LBL обеспечивают очень высокую точность, обычно лучше 1 м, а иногда и 0,01 м, а также очень надежные положения.[6][7] Это связано с тем, что ответчики установлены в системе отсчета самого рабочего места (т.е. на морском дне), широкий Транспондер интервал результатов в идеальной геометрии для вычисления позиции, и система LBL работает без акустического пути к (потенциально далекой) морской поверхности.

Системы с ультракороткой базой (USBL) и соответствующие системы со сверхкороткой базой (SSBL) полагаются на небольшую (например, 230 мм в диаметре), плотно интегрированную матрицу преобразователей, которая обычно устанавливается на нижнем конце прочной жесткой стойки преобразователя, которая устанавливается либо сбоку. или в некоторых случаях на дне надводного судна.[8][9] В отличие от систем LBL и SBL, которые определяют положение путем измерения нескольких расстояний, матрица преобразователей USBL используется для измерения цели. расстояние от полюса преобразователя, используя время прохождения сигнала, а цель направление измеряя сдвиг фазы ответного сигнала, видимого отдельными элементами матрицы преобразователя. Комбинация расстояния и направления фиксирует положение отслеживаемой цели относительно надводного корабля. Дополнительные датчики, включая GPS, гироскоп или электронный компас и блок вертикального отсчета, затем используются для компенсации изменения положения и ориентации (тангажа, крена, пеленга) надводного судна и его стойки датчика. Системы USBL предлагают преимущество, заключающееся в том, что они не требуют массива транспондеров морского дна. Недостатком является то, что точность позиционирования и надежность не так хороши, как у систем LBL. Причина в том, что фиксированный угол, разрешенный системой USBL, приводит к большей ошибке положения на большем расстоянии. Кроме того, каждый из нескольких датчиков, необходимых для положения полюса преобразователя USBL и компенсации ориентации, вносит дополнительные ошибки. Наконец, неоднородность подводной акустической среды вызывает преломления и отражения сигнала, которые оказывают большее влияние на позиционирование USBL, чем в случае геометрии LBL.

Системы с короткой базой (SBL) используйте базовую линию, состоящую из трех или более отдельных преобразователей сонара, соединенных проводом с центральным блоком управления. Точность зависит от расстояния между датчиками и способа установки. Когда используется более широкое расстояние, например, при работе с большой рабочей баржи или при работе с дока или другой фиксированной платформы, производительность может быть аналогична системам LBL. При работе с небольшой лодки, где расстояние между датчиками невелико, точность снижается. Как и системы USBL, системы SBL часто устанавливаются на лодках и кораблях, но также распространены специализированные способы развертывания. Например, Океанографическое учреждение Вудс-Хоул использует систему SBL для позиционирования Джейсон глубоководный ROV относительно связанного с ним MEDEA депрессор вес с заявленной точностью 9 см[10]

Интеллектуальные буи с GPS (GIB) системы представляют собой перевернутые устройства LBL, в которых преобразователи заменены плавучими буями, самопозиционируемыми с помощью GPS. Отслеживаемое положение рассчитывается в реальном времени на поверхности по времени прибытия (TOA) акустических сигналов, посылаемых подводным устройством и полученных буями. Такая конфигурация обеспечивает быстрое развертывание без калибровки с точностью, аналогичной системам LBL. В отличие от систем LBL, SBL или USBL, системы GIB используют односторонние акустические сигналы от излучателя к буям, что делает его менее чувствительным к отражениям от поверхности или стен. Системы GIB используются для отслеживания АПА, торпед или водолазов, могут использоваться для определения местоположения черных ящиков самолетов и могут использоваться для определения координат удара инертного или боевого оружия для испытаний оружия и тренировочных целей.[11][12][13] Ссылки: Шарм-Эль-Шейх, 2004 г .; Сочи, 2006; Кайерс, 2005; Кайзер, 2006; Кардоза, 2006 и др ...).

История и примеры использования

Рисунок 2a: Акустическая система позиционирования с короткой базой (SBL) была установлена ​​на USNS. Мицар во время поисковых погружений к обломкам подводной лодки USS Thresher
Рисунок 2b: Батискаф Триест был направлен этой акустической системой позиционирования на Thresher

Раннее использование подводных акустических систем позиционирования, положившее начало современной разработке этих систем,[14] связаны с потерей американской атомной подводной лодки USS Thresher 10 апреля 1963 г. на глубине 2560 м.[15] На океанографическом судне установлена ​​акустическая система позиционирования с короткой базой (SBL). USNS Мицар. Эта система использовалась для управления батискафом. Триест 1 к месту крушения. Тем не менее, состояние технологий было все еще настолько плохим, что из десяти поисковых погружений «Триеста-1» визуальный контакт с обломками был установлен только один раз.[16] Акустическое позиционирование было снова использовано в 1966 году, чтобы помочь в поиске и последующем восстановлении потерянной ядерной бомбы. при крушении бомбардировщика B-52 в море у берегов Испании.

В 1970-х годах для разведки нефти и газа в более глубоких водах требовалась повышенная точность подводного позиционирования, чтобы установить бурильные колонны в точное положение, указанное ранее, с помощью тщательных сейсмических инструментов.[17] и выполнять другие подводные строительные работы.

Рисунок 3: Российские глубоководные аппараты МИР-1 и МИР-2 обыскали место крушения японской подводной лодки I-52 в 1998 году. Система позиционирования LBL использовалась, чтобы направлять и документировать прогрессивный поиск при нескольких погружениях.

Но технология также начала использоваться в других приложениях. В 1998 году спасатель Пол Тидвелл и его компания Cape Verde Explorations возглавили экспедицию на место крушения корабля во время Второй мировой войны. Японская грузовая подводная лодка I-52 в средней части Атлантического океана.[18] Расположенный на глубине 5240 метров, он был обнаружен и затем идентифицирован с помощью гидролокатора бокового обзора и подводных буксиров в 1995 году. Записи военного времени показали, что I-52 направлялся в Германию с грузом, включающим 146 золотых слитков в 49 металлические ящики. На этот раз компания г-на Тидуэлла арендовала российское океанографическое судно, Академик Мстислав Келдыш с двумя пилотируемыми глубоководными аппаратами МИР-1 и МИР-2 (рисунок 3). Чтобы облегчить точную навигацию по полю обломков и обеспечить тщательный поиск, МИР-1 развернул длинную базовую сеть транспондеров при первом погружении. В течение серии из семи погружений каждой подводной лодкой постепенно исследовалось поле обломков. Запись местоположения LBL показывала расширение зоны охвата поиска после каждого погружения, что позволяло команде сосредоточиться на еще неисследованных областях во время следующего погружения. Золота не было найдено, но система позиционирования задокументировала масштаб поиска.

В последние годы появилось несколько тенденций в подводном акустическом позиционировании. Одним из них является введение составных систем, таких как комбинация LBL и USBL в так называемом LUSBL.[19] конфигурация для повышения производительности. Эти системы обычно используются в оффшорном нефтегазовом секторе и других высокотехнологичных приложениях. Еще одна тенденция - внедрение компактных, оптимизированных для задач систем для различных специализированных целей. Например, Калифорнийский департамент рыбы и дичи заказала систему (рис. 4), которая постоянно измеряет площадь открывания и геометрию сети для отбора проб рыбы во время траления. Эта информация помогает отделу повысить точность оценки рыбных запасов в Дельта реки Сакраменто.

Рисунок 4: NetTrack - это пример специальной подводной акустической системы позиционирования типа SBL, предназначенной для измерения геометрии раскрытия и площади траловой сети для точной оценки рыбных запасов. Слева: четыре небольших ответчика (A, B, C, D) установлены в углах отверстия траловой сети и подключены через соединительный баллон (E) и шлангокабель (F) к компьютеру наземной станции. В центре: Сеть развернута. Справа: компьютер наземной станции отправляет инструкции одному респонденту (например, A) на передачу, а другим респондентам (например, B, C, D) - на прием. Этим методом измеряются все шесть расстояний (A-B, A-C, A-D, B-C, B-D, C-D). Четыре стороны отверстия и одна диагональ используются для триангуляции геометрии и площади раскрытия траловой сети. Вторая диагональ доступна для вычисления метрики ошибки измерения для проверки качества данных.

Рекомендации

  1. ^ Университет Род-Айленда: открытие звука в море
  2. ^ Подводные акустические системы позиционирования, P.H. Milne 1983, ISBN 0-87201-012-0
  3. ^ Руководство ROV, Роберт Д. Христос и Роберт Л. Вернли Sr 2007, страницы 96-103, ISBN 978-0-7506-8148-3
  4. ^ Milne, главы 3-5
  5. ^ Христос и Вернли, разделы 4.2.6-4.2.7
  6. ^ Исследовательская группа по глубоководной археологии Массачусетского технологического института
  7. ^ Б.П. Фоли и Д.А. Минделл, «Точная съемка и археологическая методология в глубоководных районах», ENALIA, журнал Греческого института морской археологии, Vol. VI, 49-56, 2002
  8. ^ Milne, Глава 4
  9. ^ Христос и Вернли, раздел 4.2.6.3
  10. ^ Интеграция точного относительного позиционирования в операции JASON / MEDEA ROV, Бингхэм и др., MTS Journal Spring 2006 (том 40, номер 1)
  11. ^ Кайзер, Дж. Р., Кардоза, М. А., и др. др., "Результаты оценки оружия с помощью системы испытаний и обучения акустического оружия GPS", Национальное техническое совещание Института навигации, Сан-Диего, Калифорния, 24-26 января 2005 г.
  12. ^ Кардоза, М.А., Кайзер, Дж.Р., и Уэйд, Б. "Морская оценка высокоточных боеприпасов", Внутри GNSS Апрель 2006 г., страницы 32-39.
  13. ^ Cardoza, Miguel A .; Кайзер, Джек Р .; Уэйд, Уильям Ф .; Беннет, Ричард Л .; Merts, John H .; Кейси, Дэвид Р. (10 марта 2005 г.). Оценка оружия в открытом море с использованием быстро развертываемых акустических датчиков в реальном времени (PDF). 21-я ежегодная национальная конференция по тестированию и оценке. Шарлотта, Северная Каролина.
  14. ^ Milne, Глава 2
  15. ^ Христос и Вернле, стр.96
  16. ^ Milne, Глава 3
  17. ^ Христос и Вернли, раздел 4.2.1
  18. ^ Последнее погружение, журнал National Geographic, октябрь 1999 г.
  19. ^ Архитектура гибкой системы акустического позиционирования, Дэвис, конференция MTS по динамическому позиционированию, 2002 г.

внешняя ссылка