PL249567B1

PL249567B1 - System do wykonywania pomiarów hydrograficznych

Info

Publication number: PL249567B1
Application number: PL445508A
Authority: PL
Inventors: Roman Borucki
Original assignee: Borucka Ewa; Borucka-Kotwica Anna Julia
Priority date: 2023-07-06
Filing date: 2023-07-06
Publication date: 2026-05-11
Also published as: PL445508A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest system do wykonywania pomiarów hydrograficznych z wykorzystaniem statku wodnego, zawierający system hydrograficzny oraz system pozycjonowania połączone z centralnym układem sterowania, przy czym system pozycjonowania zawiera jednostkę centralną GPS, dwie anteny GPS oraz urządzenie inercyjne, który to system charakteryzuje się tym, że system pozycjonowania (30) zawiera ponadto elektrooptyczny system pozycjonowania (30A) zawierający tachimetr elektrooptyczny (31) umieszczony na brzegu zbiornika wodnego, pryzmat pomiarowy umieszczony na pojeździe wodnym współpracujący z tachimetrem elektrooptycznym (31) oraz system komunikacji radiowej (33) do komunikacji pomiędzy centralnym układem sterowania (10) a tachimetrem elektrooptycznym (31). Zgłoszenie obejmuje ponadto sposób wykonywania pomiarów hydrograficznych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest system do wykonywania pomiarów hydrograficznych.

System do pomiarów hydrograficznych to kompleksowe rozwiązanie wykorzystywane do zbierania danych dotyczących głębokości oraz ukształtowania dna, sprawdzania obecności i rodzajów obiektów znajdujących się na dnie oraz identyfikacji obiektów podwodnych akwenów wodnych (wód morskich, jezior lub rzek). Celem takiego systemu jest tworzenie precyzyjnych map podwodnych, które są istotne w różnych dziedzinach, takich jak nawigacja morska, projektowanie infrastruktury morskiej, badania geologiczne, inżynieria morska, ochrona środowiska itp.

Typowy system do pomiarów hydrograficznych zawiera echosondę wielowiązkową (MBES), która emituje wiązkę dźwiękową w celu skanowania dna akwenu wodnego. Odbite od powierzchni dna echo dźwiękowe jest rejestrowane i analizowane, w celu obliczenia głębokości w określonych punktach. Wielowiązkowe echosondy generują dane o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, które pozwalają na tworzenie dokładnych modeli topograficznych podwodnego terenu. Ponadto system do pomiarów hydrograficznych wykorzystuje technologie pozycjonowania, takie jak systemy satelitarne GPS lub/i systemy inercyjne, aby określić położenie statku lub platformy zbierającej dane. Dzięki temu możliwe jest zlokalizowanie punktów pomiarowych na mapie. Dane z echosondy wielowiązkowej i układów pozycjonowania są zbierane i synchronizowane ze sobą przy użyciu dedykowanego systemu zbierania danych. Następnie zebrane dane są przetwarzane przy użyciu specjalistycznego oprogramowania hydrograficznego, które umożliwia tworzenie map batymetrycznych, modeli terenu, profili głębokościowych itp.

Jednak aktualnie dostępne na rynku systemy do pomiarów hydrograficznych są obarczone znaczną niedokładnością wynikającą z wykorzystywanej technologii pozycjonowania, którą zwykle jest system GPS pozwalający na uzyskanie dokładności pozycjonowania jedynie do kilku centymetrów.

Celowym byłoby opracowanie bardziej dokładnego systemu do wykonywania pomiarów hydrograficznych.

Przedmiotem wynalazku jest system do wykonywania pomiarów hydrograficznych z wykorzystaniem statku wodnego, zawierający system hydrograficzny oraz system pozycjonowania połączone z centralnym układem sterowania. System pozycjonowania zawiera jednostkę centralną GPS, dwie anteny GPS oraz urządzenie inercyjne. System do wykonywania pomiarów hydrograficznych charakteryzuje się tym, że system pozycjonowania zawiera ponadto elektrooptyczny system pozycjonowania zawierający tachimetr elektrooptyczny umieszczony na brzegu zbiornika wodnego, pryzmat pomiarowy umieszczony na pojeździe wodnym współpracujący z tachimetrem elektrooptycznym oraz system komunikacji radiowej do komunikacji pomiędzy centralnym układem sterowania a tachimetrem elektrooptycznym.

Korzystnie system hydrograficzny zawiera jednostkę centralną z echosondą wielowiązkową do przestrzennego mapowania powierzchni dna zbiornika oraz obiektów znajdujących się pod wodą, czujnik pomiaru prędkości dźwięku w wodzie zamocowany przy echosondzie wielowiązkowej, sonar holowany do obrazowania dna zbiornika wodnego i obiektów znajdujących się pod wodą oraz profilomierz do tworzenia profili rozkładu prędkości dźwięku w wodzie.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schemat blokowy systemu do wykonywania pomiarów hydrograficznych;

Fig. 2 przedstawia schematycznie statek wodny z systemem do wykonywania pomiarów hydrograficznych;

Fig. 3 przedstawia schemat pomiaru dla testu Latency;

Fig. 4 przedstawia schemat pomiaru dla kalibracji kąta roli;

Fig. 5 przedstawia schemat pomiaru dla kalibracji kąta pitch;

Fig. 6 przedstawia schemat pomiaru dla kalibracji kąta yaw;

Fig. 7A przedstawia przykładowe rozmieszczenie baz pomiarowych względem tachimetru elektrooptycznego;

Fig. 7B przedstawia przykładowe względne rozmieszczenie punktów baz pomiarowych i tachimetru;

Fig. 8 przedstawia schemat blokowy sposobu wykonywania pomiarów hydrograficznych.

Fig. 1 przedstawia schemat blokowy systemu do wykonywania pomiarów hydrograficznych. Fig. 2 przedstawia schematycznie statek wodny z systemem do wykonywania pomiarów hydrograficznych. System do wykonywania pomiarów hydrograficznych z wykorzystaniem statku wodnego 1 zawiera centralny układ sterowania 10, system hydrograficzny 20 oraz system pozycjonowania 30 połączone z centralnym układem sterowania 10, przy czym system pozycjonowania 30 zawiera jednostkę centralną GPS 34, dwie anteny GPS 34A, 34B oraz urządzenie inercyjne 35 zawierające czujniki przyspieszenia. System pozycjonowania 30 zawiera ponadto elektrooptyczny system pozycjonowania 30A zawierający tachimetr elektrooptyczny 31 umieszczony na brzegu zbiornika wodnego, pryzmat pomiarowy 32 umieszczony na pojeździe wodnym 1 współpracujący z tachimetrem elektrooptycznym 31 oraz system komunikacji radiowej 33 z anteną radiową oraz modułem Bluetooth do komunikacji pomiędzy centralnym układem sterowania 10 a tachimetrem elektrooptycznym 31.

Korzystnie system hydrograficzny 20 zawiera jednostkę centralną 21 ze skanerem podwodnym w postaci echosondy wielowiązkowej 22 do przestrzennego mapowania powierzchni dna zbiornika oraz obiektów znajdujących się pod wodą, czujnik pomiaru prędkości dźwięku w wodzie 24 zamocowany przy echosondzie wielowiązkowej 22, sonar holowany 25 do obrazowania dna zbiornika wodnego i obiektów znajdujących się pod wodą, a w szczególności struktur znajdujących się po bokach statku wodnego 1 oraz profilomierz 26 do tworzenia profili rozkładu prędkości dźwięku w wodzie.

Echosonda wielowiązkowa 22 MBES (multibeam echosounder) jest zainstalowana do statku wodnego 1, przykładowo do łodzi, na obrotowym ramieniu 23, przykładowo wykonanym z aluminiowej rury. Obrotowe ramię 23 może być ustawione do pozycji pionowej wymuszającej zanurzenie przetwornika echosondy wielowiązkowej 22 oraz czujnika pomiaru prędkości dźwięku w wodzie 24 oraz do pozycji poziomej, w której przetwornik i czujnik znajdują się powyżej lustra wody. W celu zmniejszenia ryzyka uszkodzenia czujników podczas przemieszczania łodzi bez wykonywania pomiarów, ramię 23 ustawia się do pozycji poziomej. Czujnik pomiaru prędkości dźwięku w wodzie 24 znajduje się przy głowicy skanera podwodnego czyli przy echosondzie wielowiązkowej 22. Korzystnie czujnik pomiaru prędkości dźwięku w wodzie 24 stanowi przygłowicowy miernik prędkości dźwięku w wodzie (Valeport Mini SVS).

Korzystnie przetwornik echosondy wielowiązkowej 22 jest zamocowany uchylnie względem obrotowego ramienia 23, tak aby zapewnić możliwość wychylenia przetwornika echosondy o +/-15 stopni w stosunku do poziomu. Zapewnia to możliwość bardziej dokładnego pomiaru płaszczyzn pionowych.

Sonar holowany jest inaczej zwany sonarem bocznym (Side Scan Sonar - SSS) i może być to sonar firmy DeepVision model DE680D.

Echosondę wielowiązkową 22 może stanowić produkt firmy R2Sonic - echosonda wielowiązkową Sonic 2024.

Pomiary pozycji GPS należą do pomiarów RTK (Real Time Kinematic) w czasie rzeczywistym.

Urządzenie inercyjne 35 (Inertial Measuring Unit - IMU) mogące stanowić I2NS Type II, w połączeniu z pomiarem kierunku z układu GPS RTK 34 zapewnia pozycję i orientację łodzi opartą na określeniu sześciu stopni swobody z dokładnością od 2 do 5 cm.

Korzystnie urządzenie inercyjne 35 jest zamocowane tak, aby znajdowało się możliwie najbliżej centrum grawitacyjnego łodzi (COG).

Korzystnie przetwornik echosondy wielowiązkowej 22 jest umieszczony co najmniej 30 cm poniżej linii wody.

Anteny GPS 34A, 34B są umieszczone w górnej części łodzi, przykładowo na dachu łodzi, prostopadle do jej osi i są oddalone od siebie o co najmniej 2 metry, korzystnie od 2 do 4 metrów. Zapewnia to możliwie precyzyjne określenie kierunku poruszania się łodzi.

Pryzmat pomiarowy 32 systemu pozycjonowania elektrooptycznego 30A jest umieszczony tak, aby nie zasłaniały go inne elementy łodzi, czyli tak aby był widoczny z punktu, w którym znajduje się tachimetr elektrooptyczny 31 niezależnie od kierunku poruszania się łodzi. Korzystnie pryzmat pomiarowy 32 znajduje się na szczycie łodzi.

System komunikacji radiowej 33 zawiera radiomodemy (przykładowo radiomodemy Leica RH17), które są zamocowane na tachimetrze elektrooptycznym 31 oraz radiomodem TCPS Radio Bluetooth LR (2402-2480 MHz) zainstalowany na łodzi i zapewnia transmisję danych z minimalnym opóźnieniem czasowym.

Tachimetr elektrooptyczny 31 z pryzmatem 32 ma postać laserowego systemu pomiarów geodezyjnych, który zapewnia dostarczanie skorygowanych i znacznie dokładniejszych danych dotyczących geograficznego położenia łodzi niż tylko dane z systemu GPS, w szczególności gdy sygnał GPS jest zakłócany lub blokowany przez obiekty znajdujące się w pobliżu łodzi (np. mosty, filary itp.). Dzięki temu dokładność określania pozycji dla systemu według wynalazku wzrasta do rzędu kilku milimetrów. W szczególności dokładność pomiaru pozycji tachimetrem elektrooptycznym 31 przy założeniu odległości pomiędzy łodzią a tachimetrem elektrooptycznym (stanowiskiem pomiarowym) do 500 m wynosi

MP < 0,002 m. Natomiast odchylenie standardowe pomiarów pod lustrem wody uzyskanych przy ustawieniu tachimetru w odległości od 100 do 150 metrów od łodzi nie przekracza 0.004 m a przy ustawieniu tachimetru w odległości od 400 do 500 metrów od łodzi nie przekracza 0.008 m.

Statek wodny 1, czyli np. łódź pomiarowa może być wyposażona w agregat prądotwórczy, który zapewnia zasilanie dla systemu hydrograficznego, systemu nawigacji, systemu łączności oraz dla zestawu komputer i monitor.

System do wykonywania pomiarów hydrograficznych może być wykorzystywany m.in. do inspekcji i monitoringu podwodnych części obiektów i budowli hydrotechnicznych.

Fig. 8 przedstawia schemat blokowy sposobu wykonywania pomiarów hydrograficznych. Sposób wykonywania pomiarów hydrograficznych za pomocą wyżej opisanego systemu obejmuje kroki, w których w kroku 101 określa się współrzędne co najmniej trzech baz pomiarowych 36 znajdujących się na lądzie, w kroku 102, na brzegu zbiornika wodnego, ustawia się i orientuje tachimetr elektrooptyczny 31 względem baz pomiarowych 36. Następnie w kroku 103 za pomocą tachimetru elektrooptycznego 31 dokonuje się pomiaru pozycji pryzmatu optycznego 32, który znajduje się na pojeździe wodnym 1 oraz w kroku 104 za pomocą systemu komunikacji radiowej 33 przesyła się zmierzone współrzędne pozycji pryzmatu optycznego 32 odpowiadające pozycji statku wodnego 1 do systemu hydrograficznego (20). Następnie w kroku 105 za pomocą profilometru 26 mierzy się profil rozkładu prędkości dźwięku w wodzie oraz w kroku 106 przesyła się zmierzone wartości do centralnego układu sterowania 10. Po czym w kroku 107 za pomocą echosondy wielowiązkowej 22 (skanera podwodnego) dokonuje się mapowania (skanowania) 107 przestrzeni podwodnej oraz w kroku 108 za pomocą centralnego układu sterowania przetwarza się zebrane dane pomiarowe w celu uzyskania przestrzennego zobrazowania dna zbiornika i obiektów znajdujących się pod wodą.

Układ sterowania (oprogramowanie do zbierania i przetwarzania danych) 10 przelicza pozycję otrzymaną z pomiaru anten GPS 34A i 34B i pryzmatu 32 do pomiarów elektrooptycznych na pozycję przetwornika echosondy wielowiązkowej 22, wprowadza do tej pozycji poprawki ze względu na pochylenia, obroty i falowanie łodzi otrzymane z systemu inercyjnego IMU 35 oraz łączy dane tak poprawionej pozycji z danymi otrzymanymi z echosondy wielowiązkowej 22, aby uzyskać dokładne dane pomiarowe ukształtowania dna i obiektów znajdujących się pod lustrem wody.

Fig. 7A przedstawia przykładowe rozmieszczenie baz pomiarowych względem tachimetru elektrooptycznego. Współrzędne lokalizacyjne baz pomiarowych 36 określa się przez pomiar GPS metodą statyczną lub tachimetrycznie w nawiązaniu do szczegółowej osnowy geodezyjnej. Punkty bazowe 36 stanowią bazę do wyznaczenia współrzędnych stanowiska tachimetru elektrooptycznego 31.

Tachimetr elektrooptyczny 31 przez wykonanie wcięcia wstecz (Fig. 7B) wyznacza swoją pozycję z dokładnością +/-1 mm. W szczególności określenie pozycji tachimetru elektrooptycznego 31 polega na jednoczesnym pomiarze kątów poziomych między co najmniej trzema punktami (np. bazami pomiarowymi 36), a następnie obliczeniu współrzędnych pozycji, w której znajduje się tachimetr elektrooptyczny 31.

Fig. 7B przedstawia przykładowe względne rozmieszczenie punktów baz pomiarowych (punkty A, B, C) i tachimetru elektrooptycznego (punkt P). Wcięcie kątowe wstecz polega na wyznaczeniu współrzędnych punktu P z wykorzystaniem pomierzonych kątów a1 i a2 do znanych punktów A, B, C, pomierzonych na punkcie P. W tym celu wykorzystuje się algorytm wg form Hausbrandta.

Za pomocą tak zorientowanego tachimetru elektrooptycznego 31 wykonuje się pomiar pozycji pryzmatu optycznego 32 umieszczonego, przykładowo, na maszcie łodzi hydrograficznej i przekazuje drogą radiową za pomocą systemu komunikacji radiowej 33 (modemu Bluetooth LR) pozycję łodzi do układu sterowania 10. Dane są gromadzone wraz z analizą dokładności wyznaczonej pozycji. Pomiar pozycji pryzmatu optycznego 32 odbywa się przy ustawieniu dalmierza tachimetru w ciągłym trybie pomiaru z automatycznym rozpoznaniem i śledzeniem mierzonego pryzmatu.

Korzystnie przed rozpoczęciem pomiarów hydrograficznych wykonuje się kalibrację systemu obejmującą sprawdzenie i wyeliminowania błędów synchronizacji systemu pozycjonowania 30 z systemem hydrograficznym 20, oraz obejmującą kalibrację kątów roll, pitch, yaw (RPY).

Sprawdzenie opóźnienia odczytywania i przesyłania sygnałów (Latency test - sprawdzenie opóźnienia czasowego) (Fig. 3) przeprowadza się na podwodnym zboczu, spadku, wzdłuż jednej linii pomiarowej poprzez wykonanie dwóch pomiarów P1, P2, jeden ze standardową prędkością pomiarową jednostki, drugi z prędkością o połowę mniejszą. Sprawdzenie opóźnienia czasowego ma na celu wyeliminowanie błędów synchronizacji systemu pozycjonowania 30 z systemem hydrograficznym 20.

Na fig. 3-6 oznaczenia P1, P2 odnoszą się do pierwszego pomiaru oraz drugiego pomiaru odpowiednio dla danego typu kalibracji.

Kalibrację kąta przechyłu poprzecznego, wokół osi wzdłużnej, (roll test) (Fig. 4) przeprowadza się na płaskim dnie, poprzez wykonanie na jednej linii pomiarowej dwóch pomiarów w przeciwnych kierunkach. Kalibracja kąta roll ma na celu wyeliminować błędy spowodowane niewłaściwym kątem zamontowania przetwornika echosondy 22 w płaszczyźnie poprzecznej, które mogłyby wpływać na nieprawidłowe pomiary głębokości.

Kalibrację kąta przechyłu wzdłużnego, wokół osi poprzecznej (pitch) (Fig. 5) przeprowadza się na zboczu podwodnym lub progu podwodnym, poprzez płynięcie po jednym profilu pomiarowym z tą samą prędkością w przeciwnych kierunkach. Ważne jest aby przetwornik echosondy przechodził przez linię pomiarową w tym samym miejscu w obu kierunkach. Kalibracja kąta pitch ma na celu wyeliminować błędy spowodowane niewłaściwym kątem zamontowania przetwornika echosondy 22 w płaszczyźnie podłużnej.

Kalibrację kąta odchylenia kursu, wokół osi pionowej (yaw) (Fig. 6) przeprowadza się poprzez wykonanie pomiaru wzdłuż dwóch równoległych linii pomiarowych, w tym samym kierunku, przy czym linie powinny być oddalone od siebie od 2 do 3 wartości głębokości. Pomiar wykonuje się na jednoznacznym obiekcie podwodnym, progu lub stromym zboczu. Kalibracja kąta yaw ma na celu wyeliminowanie błędu kąta ustawienia przetwornika echosondy 22 względem osi X układu. Błąd pozycji spowodowany niewłaściwą korektą „Yaw” jest bardzo znaczący i ważne jest aby procedurę wyeliminowania tego błędu przeprowadzić z dużą starannością.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. System do wykonywania pomiarów hydrograficznych z wykorzystaniem statku wodnego, zawierający system hydrograficzny oraz system pozycjonowania połączone z centralnym układem sterowania, przy czym system pozycjonowania zawiera jednostkę centralną GPS, dwie anteny GPS oraz urządzenie inercyjne, który to system jest znamienny tym, że system pozycjonowania (30) zawiera ponadto elektrooptyczny system pozycjonowania (30A) zawierający tachimetr elektrooptyczny (31) umieszczony na brzegu zbiornika wodnego, pryzmat pomiarowy (32) umieszczony na pojeździe wodnym (1) współpracujący z tachimetrem elektrooptycznym (31) oraz system komunikacji radiowej (33) do komunikacji pomiędzy centralnym układem sterowania (10) a tachimetrem elektrooptycznym (31).
2. System według zastrz. 1 znamienny tym, że system hydrograficzny (20) zawiera jednostkę centralną (21) z echosondą wielowiązkową (22) do przestrzennego mapowania powierzchni dna zbiornika oraz obiektów znajdujących się pod wodą, czujnik pomiaru prędkości dźwięku w wodzie (24) zamocowany przy echosondzie wielowiązkowej (22), sonar holowany (25) do obrazowania dna zbiornika wodnego i obiektów znajdujących się pod wodą oraz profilomierz (26) do tworzenia profili rozkładu prędkości dźwięku w wodzie.