ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 6, с. 89-94
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 534.222.629.584
МОБИЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ НАВИГАЦИИ УДАЛЕННЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
© 2011 г. В. В. Безответных, А. В. Буренин, Е. А. Войтенко, Ю. Н. Моргунов, А. А. Тагильцев
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43 Тел. (423-2)311-613; факс (423-2)312-600 E-mail: atagiltsev@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 17.02.2011 г.
Описываются основные системы и характеристики мобильного измерительного комплекса для проведения экспериментов, направленных на исследование влияния гидрофизических процессов в морской среде на качество решения навигационных задач бортовыми средствами подводных аппаратов в процессе приема сигналов от гидроакустических маяков, установленных вблизи береговой линии.
ВВЕДЕНИЕ
Создание современных технических средств исследования и освоения океана на базе автономных необитаемых подводных аппаратов (а.н.п.а.) различного назначения является приоритетным направлением развития науки и технологий. Значительный прогресс в разработках этих технологий потребовал создания низкочастотных систем навигации с зоной действия в десятки километров. Результаты исследований особенностей распространения низкочастотных сигналов из прибрежных акваторий шельфовых зон в глубокое море [1—3] показали, что источники звука, размещаемые у дна вблизи береговой черты, могут эффективно использоваться в качестве гидроакустических маяков (г.м.) для дальней навигации подводных объектов. Кроме экономии кабеля, такое размещение позволяет осуществлять непрерывное наблюдение и контроль мест постановки в целях снижения риска повреждения или утери оборудования.
Увеличение площадей акваторий, на которых осуществляется функционирование а.н.п.а., может привести к увеличению ошибок позиционирования, связанных с неоднородностями поля скорости звука. Возникает необходимость предварительной или в реальном времени акустической аттестации диагностируемых акваторий для исследования и учета влияния гидрологической обстановки на выбор мест постановки г.м. и определения оптимальных параметров навигационных сигналов. Наш опыт подобных исследований в заливе Посьета и Корейском проливе Японского моря [4—6] показал настоятельную необходимость создания специального мобильного изме-
рительного комплекса, с помощью которого на заданной акватории могут быть смоделированы и оценены различные ситуации и режимы решения навигационных задач.
В качестве инструмента для обеспечения этих исследований авторами разработан и изготовлен макет мобильного навигационного комплекса, с помощью которого может проводиться как физическое моделирование решения навигационных задач в натурных условиях, так и предварительное изучение акустической обстановки на заданной акватории. Комплекс построен по модульному принципу и ориентирован на определение координат подводного объекта по двум г.м., однако может найти применение в исследованиях по акустической томографии и распространению сигналов на акустических трассах большой протяженности.
СОСТАВ КОМПЛЕКСА
В состав комплекса (рис. 1) входят две автономные излучающие системы 1 и 1а, имитатор а.н.п.а. на базе радиогидроакустического буя 2 и центр анализа навигационных сигналов 3 (находящийся на берегу или на плавсредстве), где обеспечивается прием и обработка поступающих данных с вычислением географических координат и отображением траектории движения имитатора на акватории.
Основной особенностью комплекса является возможность синхронизации работы его составляющих с помощью системы единого времени (с.е.в.), а также передачи в реальном времени по радиоканалу в центр анализа поступающей с погруженного на заданную глубину гидрофона ими-
Рис. 1. Схема размещения комплекса на акватории при экспериментах. 1, 1а — автономные излучающие системы, 2 — радиогидроакустический буй (имитатор а.н.п.а.), 3 — центр анализа навигационных сигналов.
татора а.н.п.а. акустической информации одновременно с данными о координатах его надводной части. Это позволяет на этапе подготовки а.н.п.а. к выполнению работ оперативно исследовать качество навигационных сигналов, условия распространения их на акватории, определить степень влияния гидрологической и сигнально-помеховой обстановки на потенциальную величину ошибки определения координат и разработать рекомендации по выбору мест и способов постановки маяков и оптимизации бортовой аппаратуры а.н.п.а.
Автономная излучающая система
В состав автономной излучающей системы (а.и.с.) входит гермоконтейнер с источником электропитания и электронной аппаратурой, гидроакустический излучатель, универсальная разборная рамная конструкция для транспортировки и постановки системы или ее элементов на грунт и набор сменных соединительных кабелей, длина которых зависит от способа постановки а.и.с. и особенностей района работ. Габариты гермокон-тейнера определены, в основном, габаритами аккумулятора, обеспечивающего энергозатраты на суточную работу а.и.с. при ежеминутном излучении посылок, а также габаритами усилителя мощности сигналов. Расчетная глубина эксплуатации а.и.с. — до 100 м.
С целью повышения коррозионной стойкости и технологичности конструкции при изготовлении гермоконтейнера использованы пластики: корпус представляет собой трубу 0450 х 800 мм и толщиной стенки 33 мм из полиэтилена ПЭ 100, а две торцевые крышки с уплотнениями на стандартных резиновых кольцах круглого сечения выполнены из капролона. Фиксация крышек на корпусе и их демонтаж осуществляются посредством
четырех стяжек из нержавеющей стали 016 мм. Кабельные линии и забортное оборудование подключаются к аппаратуре а.и.с. посредством отдельных герморазъемов, расположенных на торцевых крышках. Цилиндрический пьезокера-мический излучатель (0внеш3ОО х 130 мм) закреплен в рамной конструкции, на которой он может устанавливаться на грунт отдельно или совместно с рамой гермоконтейнера. Характеристики излучателя позволяют работать с широкополосными сигналами на центральной частоте 2500 Гц.
Функциональная схема а.и.с. представлена на рис. 2.
Проведение экспериментальных исследований с помощью описываемого комплекса предполагает, что типы и частотные характеристики применяемых сигналов могут быть различны и ограничены только полосой рабочих частот усилителя мощности и используемого излучателя. При небольших скоростях движения имитатора а.н.п.а. (режим дрейфа) в качестве навигационных использовались сложные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей [7]. Для их генерации кодировщик формирует сигнальный фрейм с помощью сдвигового регистра с определенными обратными связями. Сигнальный фрейм поступает на усилитель мощности под управлением логического устройства, функции которого синхронизированы с другими устройствами навигационного комплекса импульсами с.е.в. Источником эталонной частоты служит прецизионный термостатированный генератор ГК103-ТС-М (относительная нестабильность 10-8). Основным модулем, определяющим логику работы а.и.с., является плата на основе FPGA Cyclone II фирмы Altera. Электропитание а.и.с. осуществляется от герметичных гелевых аккумуляторных батарей напряжением 12 В.
Рис. 2. Функциональная схема а.и.с. Тр, Ь — элементы согласования выхода усилителя мощности с нагрузкой, ИП — источник питания.
W
Аккумулятор 12 В (1S0 Ач)
ALTERA Cyclone II FPGA Starter Board
С.е.в.
11
Логическое устройство
ИП(1.2, З.З, S В)
Цифроаналоговый преобразователь
Кодировщик
Генератор 10 МГц ГК103-ТС-М
H
S
н i
I —
g <
£ t/5
> о <
Тр
L
Пьезокерамический излучатель
I-1
Имитатор а.н.п.а.
Имитатор а.н.п.а. построен на основе радиогидроакустического буя, адаптированного к длительному функционированию на акватории. Он представляет собой приемную гидрофонную систему, развернутую на необходимой глубине, которая в дрейфе или буксировкой с характерной для а.н.п.а. скоростью хода перемещается в рабочей зоне акватории. В дрейфе буй оснащается одиночным гидрофоном. В режиме буксировки используется разработанный в Тихоокеанском океанологическом институте (Владивосток) образец гидроакустического буксируемого устройства, представляющего собой решетку из нескольких пар цилиндрических пьезоприемников, залитых по-лиуретановым компаундом в теле прямоугольного поперечного сечения 52 х 36 мм длиной 1.7 м [8]. Такое приемное устройство с грузом-заглубителем служит для снижения гидродинамического сопротивления и уровня помех обтекания.
Для точного позиционирования имитатора разработан модуль, включающий GPS-приемник, координаты с которого передаются по радиоканалу с частотой 1 Гц, что позволяет отслеживать дрейф системы с точностью до 5 м. В состав GPS-прием-ника входят GPS-антенна АТ-45 и GPS-модуль ЕТ-112. Для передачи координат по радиоканалу информация по протоколу NMEA 0183 поступает на FSK-модулятор, где происходит кодирование информации на частотах 50 и 55 кГц, что соответствует логическим 0 и 1. После кодирования сигнал и гидроакустическая информация поступают на сумматор и далее на радиопередатчик. Дальность устойчивого радиоканала составляет 10—15 км.
Центр анализа
Центр анализа представляет собой функционально связанный комплект приборов и порта-
тивный компьютер, на основе которых аппаратно и программно смоделирована бортовая подсистема навигации а.н.п.а. по гидроакустическим маякам. Здесь принятые гидрофоном имитатора а.н.п.а. сигналы маяков, а также информация GPS-приемника и данные дополнительных датчиков (температура среды и глубина гидрофона), переданные по радиоканалу, регистрируются и обрабатываются. Прием радиосигналов осуществляется широкополосным приемником IC-R10 Icom., с выхода которого сигнал поступает на блок фильтров для выделения гидроакустической и координатной информации.
После фильтра высоких частот данные поступают на FSK-демодулятор, выход которого через последовательный COM-порт (со скоростью передачи 4800 бит/с) подключается к компьютеру. Численные значения координат и времени измерения с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.