Система акустического позиционирования с короткой базовой линией
Система акустического позиционирования с короткой базовой линией (SBL). [ 1 ] — один из трех широких классов систем подводного акустического позиционирования , которые используются для отслеживания подводных аппаратов и водолазов. Два других класса — это системы со сверхкороткой базой (USBL) и системы с длинной базой (LBL). Как и системы USBL, системы SBL не требуют каких-либо транспондеров или оборудования, установленных на морском дне, и поэтому подходят для отслеживания подводных целей с лодок или кораблей, стоящих на якоре или находящихся на ходу. Однако, в отличие от систем USBL, которые обеспечивают фиксированную точность, точность позиционирования SBL улучшается с увеличением расстояния между датчиками. [ 2 ] Таким образом, там, где позволяет пространство, например, при работе с более крупных судов или доков, система SBL может достичь точности и надежности позиционирования, аналогичных системам LBL, монтируемым на морском дне, что делает систему подходящей для высокоточных исследовательских работ. При работе с судна меньшего размера, где расстояние между датчиками ограничено (т. е. когда базовая линия коротка), система SBL будет демонстрировать меньшую точность.
Эксплуатация и производительность
[ редактировать ]Системы с короткой базовой линией определяют положение отслеживаемой цели, такой как ROV, путем измерения расстояния до цели с помощью трех или более датчиков, которые, например, опущены над бортом надводного корабля, с которого выполняются операции слежения. Эти измерения дальности, которые часто дополняются данными о глубине от датчика давления, затем используются для триангуляции положения цели. На рисунке 1 датчик базовой линии (А) отправляет сигнал, который принимается транспондером (Б) на отслеживаемой цели. Транспондер отвечает, и ответ принимается тремя датчиками базовой линии (A, C, D). Измерения времени распространения сигнала теперь позволяют определить расстояния BA, BC и BD. Результирующие целевые положения всегда относятся к расположению датчиков базовой линии. В тех случаях, когда отслеживание осуществляется с движущегося судна, но положение цели должно быть известно в наземных координатах, таких как широта/долгота или UTM, система позиционирования SBL объединяется с приемником GPS и электронным компасом, установленными на лодке. Эти инструменты определяют местоположение и ориентацию лодки, которые объединяются с данными об относительном положении системы SBL для установления положения сопровождаемой цели в земных координатах.
Системы с короткой базовой линией получили свое название из-за того, что расстояние между датчиками базовой линии (например, на лодке) обычно намного меньше, чем расстояние до цели, например, роботизированного транспортного средства или дайвера, удаляющегося далеко от лодки. [ 3 ] Как и в любой акустической системе позиционирования, большая базовая линия обеспечивает лучшую точность позиционирования. Системы SBL используют эту концепцию с преимуществом, регулируя расстояние между датчиками для достижения наилучших результатов. [ 4 ] При работе с более крупных кораблей, доков или морского льда, где можно использовать большее расстояние между датчиками, системы SBL могут обеспечить точность и надежность позиционирования, приближающиеся к точности позиционирования систем LBL, установленных на морском дне.
История
[ редактировать ]Системы SBL используются во множестве часто специализированных приложений. Пожалуй, первой реализацией какой-либо системы подводного акустического позиционирования стала система SBL, установленная на океанографическом судне ВМС США USNS Mizar . В 1963 году эта система направила батискаф «Триест-1» к месту крушения американской атомной подводной лодки USS Thresher . Однако эффективность все еще была настолько плохой, что из десяти поисковых погружений «Триеста-1» визуальный контакт с обломками был установлен только один раз.
Океанографический институт Вудс-Хоул использует систему SHARPS SBL для управления своим привязанным глубоководным роботизированным аппаратом JASON относительно веса депрессора MEDEA и док-станции, связанной с аппаратом. Вместо отслеживания обоих транспортных средств с помощью системы позиционирования с поверхности, что может привести к ухудшению точности по мере увеличения расстояния развертывания пары, датчики базовой линии SBL устанавливаются на MEDEA. получение положения JASON относительно MEDEA с хорошей точностью, независимо от глубины развертывания системы. Заявленная точность составляет 0,09 м. [ 5 ]
Системы SBL также коммерчески доступны для позиционирования небольших ROV и других подводных аппаратов и оборудования. [ 6 ]
Пример
[ редактировать ]
Пример технологии SBL в настоящее время (с 2007 года) реализуется в Антарктиде, где Морская лаборатория Мосс-Лендинг использует систему PILOT SBL для управления дистанционно управляемым аппаратом SCINI . SCINI (рис. 2) — это небольшой привязной аппарат ( ROV ) в форме торпеды, предназначенный для быстрого и несложного развертывания и исследования удаленных объектов вокруг Антарктиды, включая остров Хилд , мыс Эванс и Парусный залив. Система SCINI спроектирована так, чтобы быть компактной и легкой, чтобы облегчить быстрое развертывание с помощью вертолета, гусеничного транспортного средства и даже саней, буксируемых вручную. Оказавшись на месте, его корпус в форме торпеды позволяет ему получить доступ к океану через небольшие (диаметром 20 см) отверстия, просверленные в морском льду. Научные цели миссии [ 7 ] однако требуют высокой точности навигации для выполнения задач, включая выполнение 10-метровых видеоразрезов (прямые линии), определение точных положений для неподвижных изображений для документирования распределения и плотности популяции донных организмов, а также маркировку и повторное посещение участков для дальнейшего исследования.
Навигационная система SBL (рис. 3) состоит из трех небольших датчиков базовой линии гидролокатора диаметром 5 см (A, B, C), которые соединены кабелем с блоком управления (D). На автомобиле SCINI установлен небольшой (13,5 см Д x 4 см Г) транспондер цилиндрической формы. Точность оптимизируется за счет использования плоского морского льда для размещения датчиков базовой линии на большом расстоянии друг от друга; ок. 35 миллионов для большинства развертываний SCINI.
На рисунке 4 показаны операции SCINI, управляемые системой SBL. На рисунке 4А показана импровизированная диспетчерская ROV, в данном случае в кабине, поднятой на вершину проруби на мысе Армитидж. Слева направо: экран управления ROV (A), вид с основной камеры (B), экран навигации (C) и научный дисплей (D). Пилот ROV обычно наблюдает за изображением основной камеры. Он взглянет на экран навигации (C), который показывает текущее положение ROV и маршрут, наложенный на карту, для ориентации и направления ROV к месту, указанному ученым. Ученый, изображенный здесь сидящим справа, оснащен научным дисплеем (D), который объединяет изображения ROV с данными о положении, глубине и времени в реальном времени. Ученый вводит в компьютер письменные или озвученные наблюдения, чтобы обеспечить контекст для данных, отметить объекты или события, представляющие интерес, или обозначить начало или завершение видеотрансекта (рисунок 4B).
Типичное исследование места занимает несколько погружений, по мере того как такие задачи, как первоначальное исследование, получение неподвижных изображений и видеоразрезы, постепенно выполняются. Важнейшим элементом этих серий погружений является отображение зоны поиска перед предыдущим погружением, чтобы последующее погружение могло быть нацелено на ранее не посещавшуюся область. Это делается путем создания совокупного графика покрытия места погружения (рис. 4C). График, который обновляется после каждого погружения, отображается в виде фоновой карты на экране навигации, обеспечивая таким образом руководство для текущего погружения. Он показывает предыдущие треки ROV с цветом, обозначающим глубину. Анализ отображаемых здесь данных трека позволяет оценить качество позиционирования и обеспечить погрешность измерений. В этом случае типичная точность установлена на уровне 0,54 м.
-
Рисунок 3: Развертывание системы позиционирования SBL на мысе Эванс. Максимальное расстояние между датчиками базового сонара (A, B, C) и расположение их в равностороннем треугольнике обеспечивает наилучшую точность. -
Рисунок 4A: Диспетчерская SCINI с четырьмя экранами для управления ROV (A), изображением основной камеры (B), навигационным дисплеем SBL (C) и экраном аннотаций к изображениям или научным экраном (D) -
Рисунок 4B: Изображение, связанное с ним положение, время и наблюдение или утверждение ученого объединены в одну запись. -
Рисунок 4C: График покрытия участка несколькими погружениями SCINI на мысе Армитидж. Цветные точки — это следы положения транспортного средства с кодировкой глубины.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Системы подводного акустического позиционирования, Глава 3, PH Milne, 1983, ISBN 0-87201-012-0
- ^ Руководство по ROV, раздел 4.2.7 Преимущества и недостатки систем позиционирования, Роберт Д. Крист и Роберт Л. Вернли-старший, 2007 г., ISBN 978-0-7506-8148-3
- ^ Справочник по акустике, Малкольм Дж. Крокер, 1998, ISBN 0-471-25293-X , 9780471252931, стр. 462
- ^ Оценка акустических систем USBL и SBL и оптимизация методов калибровки, Филип, Гидрографический журнал, № 108, апрель 2003 г.
- ^ Интеграция точного относительного позиционирования в операции JASON/MEDEA ROV, Бингхэм и др., MTS Journal, весна 2006 г. (том 40, номер 1)
- ^ «Набор подводного GPS-исследователя с водной связью» , Blue Robotics, 3 апреля 2017 г. Проверено 18 августа 2019 г.
- ^ Веб-сайт проекта SCINI, научные цели
