Система подводного акустического позиционирования
Подводная акустическая система позиционирования [ 1 ] [ 2 ] представляет собой систему слежения и навигации подводных аппаратов или водолазов посредством акустического измерения расстояния и/или направления и последующей триангуляции положения. Системы подводного акустического позиционирования обычно используются в самых разных подводных работах, включая разведку нефти и газа, океанологию , спасательные операции, морскую археологию , правоохранительную деятельность и военную деятельность.
Метод работы
[ редактировать ]На рисунке 1 описан общий метод работы системы акустического позиционирования. [ 3 ] это пример системы позиционирования с длинной базой (LBL) для ROV.
- Развертывание и обследование базовой станции
Системы акустического позиционирования измеряют положение относительно системы базовых станций, которые необходимо развернуть до начала операций. В случае системы с длинной базой (LBL) на морском дне развертывается набор из трех или более транспондеров базовой линии. местоположение базовых транспондеров относительно друг друга или в глобальных координатах Затем необходимо точно измерить . Некоторые системы помогают выполнить эту задачу с помощью автоматического акустического самообследования, а в других случаях GPS используется для определения положения каждого базового транспондера во время его развертывания или после его развертывания.
- Операции отслеживания или навигации
После базового развертывания и обследования система акустического позиционирования готова к работе. В примере с длинной базой (см. рисунок 1) запросчик (А) установлен на ДУА, который необходимо отслеживать. Запросчик передает акустический сигнал, который принимается базовыми транспондерами (B, C, D, E). Ответ базовых транспондеров снова принимается на ROV. Сигнал времени полета или соответствующие расстояния AB, AC, AD и AE передаются через шлангокабель ROV (F) на поверхность, где положение ROV рассчитывается и отображается на экране слежения. Измерения акустического расстояния могут быть дополнены данными датчика глубины для получения более высокой точности позиционирования в трехмерном подводном пространстве.
Системы акустического позиционирования могут обеспечивать точность от нескольких сантиметров до десятков метров и могут использоваться на 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
[ редактировать ]Системы подводного акустического позиционирования обычно делятся на три широких типа или класса. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
Системы с длинной базой (LBL) , как показано на рисунке 1 выше, используют сеть транспондеров с базовой линией морского дна. Транспондеры обычно устанавливаются в углах рабочей площадки. Системы LBL обеспечивают очень высокую точность, обычно лучше 1 м, а иногда и 0,01 м, а также очень надежные положения. [ 7 ] [ 8 ] Это связано с тем, что транспондеры устанавливаются в системе отсчета самой рабочей площадки (т.е. на морском дне), большое расстояние между транспондерами обеспечивает идеальную геометрию для расчета местоположения, а система LBL работает без акустического тракта. к (потенциально далекой) поверхности моря.
Системы со сверхкороткой базой (USBL) и соответствующие системы со сверхкороткой базой (SSBL) основаны на небольшой (например, 230 мм в поперечнике) тесно интегрированной матрице датчиков, которая обычно монтируется на нижнем конце прочного, жесткого основания. Столб преобразователя, который устанавливается либо сбоку, либо, в некоторых случаях, на днище надводного судна. [ 9 ] [ 10 ] В отличие от систем LBL и SBL, которые определяют положение путем измерения нескольких расстояний, массив датчиков USBL используется для измерения целевого расстояния от полюса преобразователя с использованием времени прохождения сигнала и направления цели путем измерения фазового сдвига ответного сигнала, как показано на рисунке. отдельными элементами массива преобразователей. Комбинация расстояния и направления фиксирует положение сопровождаемой цели относительно надводного корабля. Дополнительные датчики, включая GPS, гирокомпас или электронный компас, а также вертикальный опорный блок, затем используются для компенсации изменения положения и ориентации (тангажа, крена, пеленга) надводного судна и его вехи-датчика. Преимущество систем USBL заключается в том, что они не требуют наличия массива транспондеров морского дна. Недостатком является то, что точность и надежность позиционирования не так хороши, как у систем LBL. Причина в том, что фиксированный угол, определяемый системой USBL, приводит к большей ошибке позиционирования на большем расстоянии. Кроме того, каждый из нескольких датчиков, необходимых для определения полюсного положения преобразователя USBL и компенсации ориентации, вносит дополнительные ошибки. Наконец, неоднородность подводной акустической среды приводит к преломлению и отражению сигнала, которые оказывают большее влияние на позиционирование USBL, чем в случае с геометрией LBL.
В системах с короткой базой (SBL) используется базовая линия, состоящая из трех или более отдельных гидролокационных преобразователей, которые подключены проводом к центральному блоку управления. Точность зависит от расстояния между датчиками и способа крепления. Когда используется более широкое расстояние, например, при работе с большой рабочей баржи или при работе с дока или другой стационарной платформы, производительность может быть аналогична системам LBL. При работе с небольшого судна, где расстояние между датчиками мало, точность снижается. Как и системы USBL, системы SBL часто устанавливаются на лодках и кораблях, но также распространены специальные способы развертывания. Например, Океанографический институт Вудс-Хоул использует систему SBL для позиционирования «Джейсон» глубоководного ROV относительно связанного с ним депрессорного веса MEDEA с заявленной точностью 9 см. [ 11 ]
Системы интеллектуальных GPS-буев (GIB) представляют собой перевернутые устройства LBL, в которых датчики заменены плавающими буями, самостоятельно позиционируемыми с помощью GPS. Отслеживаемое положение рассчитывается в реальном времени на поверхности на основе времени прибытия (TOA) акустических сигналов, отправленных 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 их менее чувствительными к отражениям от поверхности или стен. Системы GIB используются для отслеживания АНПА, торпед или водолазов, могут использоваться для локализации черных ящиков самолетов и могут использоваться для определения координат удара инертного или боевого оружия в целях испытаний и тренировок оружия. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] ссылки: Шарм-Эль-Шейх, 2004 г.; Сочи, 2006 г.; Кайерс, 2005 г.; Кайзер, 2006 г.; Кардоза, 2006 и др.). [ нужны разъяснения ]
История и примеры использования
[ редактировать ]
Раннее использование систем подводного акустического позиционирования, положившее начало современной разработке этих систем. [ 15 ] связана с гибелью американской атомной подводной лодки USS Thresher 10 апреля 1963 года на глубине 2560 метров. [ 16 ] установлена акустическая система позиционирования по короткой базовой линии (SBL) На океанографическом судне USNS Mizar . Эта система использовалась для направления батискафа «Триест-1» к месту крушения. Тем не менее, состояние техники было все еще настолько плохим, что из десяти поисковых погружений «Триеста-1» визуальный контакт с обломками был установлен только один раз. [ 17 ] Акустическое позиционирование снова было использовано в 1966 году для помощи в поиске и последующем восстановлении ядерной бомбы, потерянной во время крушения бомбардировщика B-52 в море у берегов Испании.
В 1970-х годах разведка нефти и газа на более глубоких водах требовала повышения точности подводного позиционирования для размещения бурильных колонн в точном положении, указанном ранее, с помощью тщательного сейсмического оборудования. [ 18 ] и для выполнения других задач подводного строительства.
Но технология также начала использоваться и в других приложениях. В 1998 году спасатель Пол Тидвелл и его компания Cape Verde Explorations возглавили экспедицию к месту крушения японской грузовой подводной лодки I-52 времен Второй мировой войны в центре Атлантики. [ 19 ] Находившийся на глубине 5240 метров он был обнаружен, а затем идентифицирован с помощью гидролокатора бокового обзора и подводного буксира в 1995 году. Записи военного времени показали, что И-52 направлялся в Германию с грузом, включающим 146 золотых слитков в 49 металлические ящики. На этот раз компания г-на Тидуэлла наняла российское океанографическое судно « Академик Мстислав Келдыш» с двумя обитаемыми глубоководными аппаратами МИР-1 и МИР-2 (рис. 3). Чтобы облегчить точную навигацию по полю обломков и обеспечить тщательный поиск, МИР-1 при первом погружении развернул длинную базовую сеть транспондеров. В ходе серии из семи погружений каждого аппарата подводный аппарат постепенно обследовал поле обломков. Записи о местоположении LBL указывают на расширение зоны поиска после каждого погружения, что позволяет команде сосредоточиться на еще необследованных участках во время следующего погружения. Никакого золота обнаружено не было, но система позиционирования зафиксировала масштабы поисков.
В последние годы появилось несколько тенденций в подводном акустическом позиционировании. Одним из них является введение сложных систем, таких как комбинация LBL и USBL в так называемой LUSBL. [ 20 ] Конфигурация для повышения производительности. Эти системы обычно используются в морской нефтегазовой отрасли и других высокотехнологичных отраслях. Другая тенденция — внедрение компактных, оптимизированных для решения задач систем для различных специализированных целей. Например, Калифорнийский департамент рыболовства и охоты заказал систему (рис. 4), которая постоянно измеряет площадь открытия и геометрию сети для отбора проб рыбы во время траления. Эта информация помогает департаменту повысить точность оценок рыбных запасов в дельте реки Сакраменто .
водонепроницаемые интеллектуальные устройства, такие как Apple Watch Ultra Были представлены и Garmin Descent, которые функционируют как компьютеры для дайвинга . Эти устройства оснащены датчиком глубины , предоставляют профиль погружения и предупреждают о безопасности при быстром всплытии и обязательных остановках безопасности, используя данные о глубине. В 2023 году исследователи Вашингтонского университета продемонстрировали четвертый класс трехмерного подводного позиционирования для этих интеллектуальных устройств, который не требует поддержки инфраструктуры, такой как буи. [ 21 ] Вместо этого они используют методы распределенной локализации. [ 22 ] путем вычисления попарных расстояний между сетью водолазных устройств, чтобы определить форму результирующей топологии сети. Объединив эти данные с данными датчиков глубины от этих устройств, ведущий дайвер может затем вычислить относительные трехмерные положения всех других устройств дайвера.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Университет Род-Айленда: открытие звука в море
- ^ Системы подводного акустического позиционирования, PH Milne 1983, ISBN 0-87201-012-0
- ^ Руководство по ROV, Роберт Д. Крист и Роберт Л. Вернли-старший, 2007 г., страницы 96–103, ISBN 978-0-7506-8148-3
- ^ «Понятное руководство для оператора подводных гидролокаторов и акустических устройств» . Синяя робототехника . Проверено 18 января 2024 г.
- ^ Милн, главы 3-5
- ^ Христос и Вернли, разделы 4.2.6-4.2.7.
- ^ Исследовательская группа глубоководной археологии Массачусетского технологического института
- ^ Б. П. Фоли и Д. А. Минделл, «Точные исследования и археологическая методология на глубокой воде», ENALIA, журнал Греческого института морской археологии, Vol. ВИ, 49-56, 2002 г.
- ^ Милн, глава 4
- ^ Христос и Вернли, раздел 4.2.6.3
- ^ Интеграция точного относительного позиционирования в операции JASON/MEDEA ROV, Бингхэм и др., MTS Journal, весна 2006 г. (том 40, номер 1)
- ^ Кайзер, младший, Кардоза, Массачусетс и 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.
- ^ Кардоза, Массачусетс, Кайзер, младший, и Уэйд, Б. «Морская оценка высокоточных боеприпасов» , Inside GNSS, апрель 2006 г., страницы 32–39.
- ^ Кардоса, Мигель А.; Кайзер, Джек Р.; Уэйд, Уильям Ф.; Беннетт, Ричард Л.; Мертс, Джон Х.; Кейси, Дэвид Р. (10 марта 2005 г.). Оценка морского оружия с использованием быстро развертываемых акустических датчиков в реальном времени (PDF) . 21-я ежегодная национальная конференция по тестированию и оценке . Шарлотта, Северная Каролина.
- ^ Милн, Глава 2
- ↑ Христос и Вернле, стр. 96.
- ^ Милн, Глава 3
- ^ Христос и Вернли, раздел 4.2.1
- ^ Последнее погружение, журнал National Geographic, октябрь 1999 г.
- ^ Архитектура гибкой системы акустического позиционирования, Дэвис, Конференция по динамическому позиционированию MTS, 2002 г.
- ^ Чен, Туочао; Чан, Джастин; Голлакота, Шьямнатх (10 сентября 2023 г.). «Подводное 3D-позиционирование на интеллектуальных устройствах» . Материалы конференции ACM SIGCOMM 2023 . АКМ. стр. 33–48. arXiv : 2307.11263 . дои : 10.1145/3603269.3604851 . ISBN 979-8-4007-0236-5 . S2CID 260091258 .
- ^ Альрадже, Набиль Али; Башир, Марьям; Шамс, Билал (1 июня 2013 г.). «Методы локализации в беспроводных сенсорных сетях» . Международный журнал распределенных сенсорных сетей . 9 (6): 304628. дои : 10.1155/2013/304628 . ISSN 1550-1477 .
