Войти
Система подводного акустического позиционирования представляет собой система для отслеживания и навигации подводных аппаратов или водолазов с помощью акустических измерений расстояния и / или направления и последующей триангуляции местоположения. Системы подводного акустического позиционирования обычно используются в широком спектре подводных работ, включая разведку нефти и газа, океанологию, спасательные операции, морскую археологию, правоохранительную и военную деятельность.
Рисунок 1 описывает общий метод работы акустической системы позиционирования, это пример системы позиционирования с длинной базой (LBL) для ROV
Рисунок 1: Метод работы системы акустического позиционирования с длинной базой (LBL) для ROV Системы акустического позиционирования измеряют позиции относительно структуры базовых станций, которые должны быть развернуты до начала работы. В случае системы с длинной базой (LBL) набор из трех или более базовых транспондеров развертывается на морском дне. Затем необходимо точно измерить положение базовых транспондеров относительно друг друга или в глобальных координатах. Некоторые системы помогают этой задаче с помощью автоматизированного акустического самообследования, а в других случаях GPS используется для определения положения каждого базового транспондера при его развертывании или после развертывания.
После развертывания базовой линии 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 данными датчика глубины, чтобы получить лучшую точность позиционирования в трехмерном подводном пространстве.
Акустические системы 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.
Системы подводного акустического позиционирования обычно подразделяются на три широких типа или класса
Системы с длинной базой (LBL), как на рисунке 1 выше, используют морские системы. этажная базовая транспондерная сеть. Транспондеры обычно устанавливаются в углах производственной площадки. Системы LBL дают очень высокую точность, в общем, лучше, чем 1 м, а иногда так хорошо, как 0.01m наряду с очень прочными позициями Это связано с тем, что ответчики установлены в системе отсчета самого рабочего места (т.е. на морском дне), большое расстояние между транспондерами обеспечивает идеальную геометрию для расчета местоположения, а система LBL работает без акустического пути к (потенциально удаленной) морской поверхности.
Системы со сверхкороткой базой (USBL) и соответствующие системы со сверхкороткой базой (SSBL) полагаются на небольшую (например, 230 мм в диаметре), плотно интегрированную матрицу датчиков, которая обычно устанавливается на дне конец прочной жесткой опоры преобразователя, которая устанавливается сбоку или в некоторых случаях на дне надводного судна. В отличие от систем LBL и SBL, которые определяют положение путем измерения нескольких расстояний, матрица преобразователя USBL используется для измерения целевого расстояния от полюса преобразователя с использованием времени прохождения сигнала и направления цели путем измерения фазового сдвига 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 вехи 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.
В системах с короткой базой (SBL) используется базовая линия, состоящая из трех или более отдельных гидролокаторов, 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 глубоководного ROV Jason относительно соответствующего веса депрессора MEDEA с указанной точностью 9 см
Интеллектуальные буи GPS (GIB) представляют собой перевернутые устройства LBL, в которых преобразователи заменены плавучими буями, самопозиционирующимися 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 учебных целей. Ссылки: Шарм-Эль-Шейх, 2004; Сочи, 2006; Кайерс, 2005; Кайзер, 2006; Кардоза, 2006 и др...).
Рис. 2a: Акустическая система позиционирования с короткой базой (SBL) была установлена на USNS Mizar во время поисковых погружений на обломки подводной лодки USS Thresher 
Рис. 2b: Батискаф Триест был направлен этой акустической системой позиционирования к Thresher Раннее использование подводных акустических систем позиционирования, положившее начало современной разработке этих систем, было связано с потерей американской атомной подводной лодки USS Thresher 10 апреля 1963 г. на глубине 2560 м. Акустическая система позиционирования с короткой базой (SBL) была установлена на океанографическом судне USNS Mizar. Эта система использовалась для направления батискафа 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. Акустическое позиционирование было снова использовано в 1966 году, чтобы помочь в поиске и последующем извлечении ядерной бомбы, потерянной во время крушения бомбардировщика B-52 в море у побережья 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 приборов, и для выполнения других задач подводного строительства.
Рис. 3. Российские глубоководные аппараты МИР-1 и МИР-2 обыскали место крушения японской подводной лодки И-52 в 1998 году. Система позиционирования LBL использовалась для руководства и документирования результатов поиска в ходе нескольких погружений. Но эту технологию начали использовать 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 Средней Атлантике. 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, включая 146 золотых слитков в 49 металлические ящики. На этот раз компания г-на Тидвелла наняла российское океанографическое судно «Академик Мстислав Келдыш» с двумя пилотируемыми глубоководными аппаратами МИР-1 и МИР-2 (рис. 3). Чтобы облегчить точную навигацию по полю обломков и обеспечить тщательный поиск, MIR-1 развернул сеть ретрансляторов с длинной базой при первом погружении. В течение серии из семи погружений каждой подводной лодкой постепенно исследовалось поле обломков. Запись местоположения LBL показывала расширение охвата поиска после каждого погружения, позволяя команде сосредоточиться на еще неисследованных областях во время следующего погружения. Золота обнаружено не было, 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 называемой конфигурации LUSBL для повышения производительности. Эти системы обычно используются в оффшорном нефтегазовом секторе и других высокотехнологичных приложениях. Другая тенденция - внедрение компактных, оптимизированных для задач систем для различных специализированных целей. Например, Департамент рыбы и дичи Калифорнии ввел в эксплуатацию систему (рис. 4), которая непрерывно измеряет площадь открытия и геометрию сети для отбора проб рыбы во время траления. Эта информация помогает отделу повысить точность оценки рыбных запасов в дельте реки Сакраменто.
Рис. 4: NetTrack - это пример специальной подводной акустической системы позиционирования типа SBL, предназначенной для измерения открытия геометрия и площадь 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 погрешности измерения для проверки качества данных. 