RU2797702C1 - Способ установки морского полигона донных станций - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к геофизическим методам исследования. Для установки морского полигона донных станций одновременно с кормы судна и с разных бортов опускают три донные станции, в котором дополнительно на морское дно опускают еще две донные станции. Судно-носитель выполнен в виде автономного необитаемого подводного аппарата, оснащенного приемоиндикатором спутниковых навигационных систем, гидроакустической навигационной аппаратурой и сканирующим гидролокатором. Установка донных станций производится с горизонта глубин, максимально приближенного к морскому дну, с учетом обеспечения безопасности плавания подводного аппарата, определяемого посредством сканирующего гидролокатора, посредством которого также определяют глубину установки донной станции и выбирают участок дна с равномерным и однородным участком, при установке первой донной станции выполняют ее позиционирование путем взаимного пеленгования по гидроакустическому каналу связи при движении подводного аппарата на морскую поверхность, при достижении которой определяют посредством приемоиндикатора спутниковых навигационных систем координаты подводного аппарата, при движении подводного аппарата на морскую поверхность измеряют время распространения скорости звука, которые транслируются в память донной станции. Посредством донных станций на морском дне формируют квадрат, на пересечении диагоналей которого устанавливают пятую донную станцию, при регистрации сейсмических сигналов подводный аппарат размещают на морской поверхности, взаимное пеленгование выполняют путем формирования парной параллактической сферической системы координат. Достигается повышение точности при обеспечении равного расстояния между донными станциями.

Description

Изобретение относится к геофизическим методам исследования.

Известны морские геофизические методы исследования, в которых на морском дне располагают сеть гидрофизических станций, соединенных кабелями (патент RU №2545092 С2. 27.03.2015[1]). Известны также океанологические исследования, в которых производится установка донных станций на морском дне с борта судна («Средства и методы океанологических исследований» Москва, «Наука» 2005. авторы Г.В. Смирнов и др., с. 61-70 [2]). Известные способы не обеспечивают необходимую точность (геометрию) расположения точек установки на дне.

Известные также методы морских сейсмических исследований (патенты RU №2690038 С1, 30.05.2019 [3], RU №2650849 C1, 17.04.2018 [4], RU №2576351 С2, 27.02.2016 [5], ЕА №26658 В1. 31.05.2017 [6], US №10341032 В2. 02.07.2019 [7], заявка US 20170075014 А1,16.03.2017 [8], патент RU №2734341 С1, 15.10.2020 [9]), с установкой донных станций на морском дне также не позволяют полностью исключить влияние подводных течений и смещение донных станций из-за подмыва грунта, что требует проведения дополнительных работ для обеспечения режимов нормальной работы без искажения регистрируемых параметров.

Одним из назначений гидрофизического полигона является определение источников сейсмических (акустических) колебаний, их расположение, мощность и т.п.Для максимально точного определения всех параметров необходимо знать места точек установки датчиков (станций их содержащих) на дне. поэтому, чем точнее будет информация о расположении полигона, тем точнее будет полученная информация. Учитывая, что глубина, на которую нужно поставить станции, может достигать нескольких километров, определить место каждой станции хотя бы с точностью в несколько десятков метров, практически невозможно.

Также известно изобретение (патент RU №2734341 С1, 15.10.2020 [9]), которое по сравнению с аналогами [1-8], направлено на повышение точности, измерений путем обеспечения точной геометрии полигона на дне океана, что достигается тем, что, одновременно, с кормы судна и с разных бортов, опускают три донных станции, снабженных плоскими рулями с приводами вращения и угла наклона, связанных с гидроакустической системой обеспечения равного расстояния между станциями в магнитном поле земли, при этом, пространственное расположение в воде, обеспечивается за счет гидродинамических сил, возникающих в процессе погружения донных станций.

При практической реализации известного технического решения [9] из-за наличия возможных подводных течений, имеющих разную скорость и направление на нескольких горизонтах по глубине обеспечить точную геометрию полигона практически невозможно.

Данное техническое решение [9] выбрано в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности при обеспечении равною расстояния между донными станциями.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе установки морского полигона донных станций, заключающимся в выносе за борт донных станций, с размыкателями балласта, гидроакустической аппаратурой, датчиками магнитною поля, отличающийся тем. что. с целью обеспечения точной геометрии расположения станций на дне, одновременно с кормы судна и с разных бортов опускают три донные станции, в котором в отличие от прототипа дополнительно на морское дно опускают еще две донные станции, при этом судно носитель выполнено в виде автономного необитаемого подводного аппарата оснащенного приемоиндикатором спутниковых навигационных систем, гидроакустической навигационной аппаратурой и сканирующим гидролокатором, причем установка донных станций производится с горизонта глубин максимально приближенного к морскому дну, с учетом обеспечения безопасности плавания подводного аппарата, определяемого посредством сканирующего гидролокатора, посредством которого также определяют глубину установки донной станции и выбирают участок дна с равномерным и однородным участком, при установке первой донной станции выполняют ее позиционирование путем взаимного пеленгования по гидроакустическому каналу связи при движении подводного аппарата на морскую поверхность, при достижении которой определяют посредством приемоиндикатора спутниковых навигационных систем координаты подводного аппарата, при движении подводного аппарата на морскую поверхность измеряют время распространения скорости звука, которые транслируются в память донной станции, при установке последующих донных станций последовательность операций по их установке соответствует последовательности при установке первой донной станции, при движении к точкам установки последующих донных станций, позиционирование подводного аппарата выполняют путем взаимного пеленгования с уже установленными донными станциями, посредством донных станций на морском дне формируют квадрат, на пересечении диагоналей которого устанавливают пятую донную станцию, при регистрации сейсмических сигналов подводный аппарат размещают на морской поверхности, взаимное пеленгование выполняют путем формирования парной параллактической сферической системы координат.

Подводный аппарат оснащен: бортовой системой управления, планировщиком, энергосиловой установкой с источником энергии и двигателем, движителем, приводами рулевых машинок, стабилизаторами и рулями, обеспечивающими движение подводного аппарата по заданному маршруту. Навигационное оборудование подводного аппарата, обеспечивает работу подводного аппарата, со спутниковой, радио- или гидроакустической системам навигации, средствами радио- и звукоподводной связи с пунктом управления, донными станциями. В грузовом отсеке размещаются донные станции с оборудованием их постановки на морское дно. На подводном аппарате также установлены блок с источником тока, его преобразователем, генератором и аппаратурой приема и излучения гидроакустических сигналов, включающей электронный блок с усилителем, шифраторам и дешифратором, якорное устройство, светильники, обзорная и стационарная видеокамеры, датчики глубины и температуры, компенсаторы давления. В верхней части подводного аппарата установлен блок плавучести, на выходе грузового отсека дополнительно установлена видеокамера так, что ее ось визирования постоянно направлена в центр вытравляемого кабеля с донной станцией. Обзорная видеокамера установлена посредством кронштейна над блоком плавучести в диаметральной плоскости подводного аппарата в его кормовой части. Самоходный подводный аппарат дополнительно снабжен лазерными указателями, системой изменения плавучести, гидроакустическим маяком-ответчиком, мини-гидролокатором кругового обзора, инерционным измерительным устройством. Обзорная видеокамера установлена на устройстве, обеспечивающем наклон и поворот камеры в диапазоне ±30 градусов и выполнена с десяти кратным приближением изображения. Светильники выполнены на светодиодах с мощностью светового потока не менее 2000 люмен с возможностью изменения цветовой температуры и плавной регулировки яркости свечения для уменьшения эффекта засветки от взвешенных в воде частиц, при этом блоки плавучести выполнены из композита на основе полых стеклянных микросфер (синтактика). Инерционное измерительное устройство выполнено с мощным микроконтроллером, имеющим встроенную программу предварительной обработки данных, двумя телескопическими устройствами для стыковки с разъемами донными станциями, предназначенными для подзарядки электрических батарей и съема зарегистрированной информации донными станциями.

На внешней верхней поверхности корпуса подводного аппарата установлены солнечные батареи и ветровые генераторы.

Подводный аппарат также оснащен лазерным дальномером с контрольным датчиком направления излучения, который представляет собой судовой пеленгатор (координатно-чувствительный приемник) и обеспечивает контроль отклонения лазера от расчетной оптической оси. Это отклонение может достигать от импульса к импульсу долей млрад (до одной трети ширины диаграммы излучения мощного лазера).

При размещении устройства в кардановом подвесе, связанным с бортовой инерциальной навигационной системой (гировертикалью), с датчиков карданового подвеса можно снимать отклонение главной оптической оси от вертикали места.

Подводный аппарат также оснащен всплывающим радиогидроакустическим буем со спутниковым и гидроакустическим каналом связи, который представляет собой устройство, которое содержит контейнер с аппаратурой, источник питания (аккумулятор), мачту с антенной связи, модемом и антенной GPS, а также антенну гидроакустической связи с опционными устройствами.

Подводный аппарат, также может содержит вертикальную гирлянду гидрофонов, трехкомпонентный геофон, аппаратурный модуль, блок спутниковой системы связи и навигации, блок анализа, блок управления и источники питания, цифровой GPS-компас, наклономер, датчик температуры и вольтметр, установленный на источнике питания. Блок анализа выполнен с возможностью обнаружения сверхнизкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов - предвестников сильных землетрясений, а также с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений - предвестников цунами.

При оснащении подводного аппарата вертикальной 8-элементной эквидистантной гирляндой гидрофонов (расстояние между гидрофонами 25 м), установленной в подводном звуковом канале (регистрируется суммарный сигнал, т.е. формируется линейная антенна с диаграммой направленности, ориентированной вдоль горизонта). Частотный диапазон 0,5-2000 Гц, хотя как антенну-гирлянду можно рассматривать в частотном диапазоне 30-2000 Гц.). Для выравнивания гирлянды гидрофонов в линию используется груз. В качес тве гидрофонов могут быть использованы волоконно-оптические гидрофоны (аналоги: патент RU №20909830. 20.08.1993. патент RU №2112229 С1, 27.08.1998).

Подводный аппарат может быть также выполнен с возможностью использования сейсмического оборудования выполненного в виде сейсмографных кос и линий сейсмических пневмоисточников. для выпуска каждой из которых предусмотрено соответствующее оборудование, аналогичное оборудованию, описанному в источнике «Комплекс для буксировки забортного сейсмоборудования» (патент RU №2427860 С1 МПК: G01V 1/38).

Навигационное оборудование подводного аппарата включает абсолютный и относительный лаг, курсоуказатель, инерциальную навигационную систему, приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, эхолот, гидролокатор бокового обзора и профилограф. систему автоматического управления движением, блок решения навигационных задач в парной параллактической системе координат.

Подводный аппарат может быть выполнен на основе малогабаритной подводной лодки, предназначенной для утилизации.

Донные станции для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях, включая акватории с ледовым покровом, содержат аппаратурный модуль, блок гидроакустической системы связи и навигации, блок анализа, блок управления и источники питания. Блок анализа выполнен с возможностью обнаружения сверхнизкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов предвестников сильных землетрясений, а также с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений – предвестников цунами. Донные станции также содержат трехкомпонентный геофон, цифровой компас, наклономер, датчик температуры и давления, вольтметр, установленный на источнике питания. При этом трехкомпонентный геофон выполнен с активными обратными связями, блок анализа выполнен в видеорегистратора, работающего в режиме непрерывной регистрации по обнаружению сейсмического события с выдачей сообщения на управляющий компьютер о превышении заданного порога или в заранее заданные промежутки времени ("по календарю") с записью результатов на "твердотельную" память объемом до 32 гигабайт и содержит четыре сейсмических канала регистрации с мгновенным динамическим диапазоном более 136 дБ, высокостабильный термостатированный кварцевый генератор с долговременной нестабильностью 10^-7, регистратор также выполнен с возможностью управляется через встроенный интерфейс "Ethernet 10/100", регистратор также выполнен с диапазоном регистрируемых частот 0,1…240 Гц.

Чтобы отслеживать происходящие процессы распространения на морском дне, при многолетнем морском ледяном покрове в высоких широтах Арктики, обусловленных землетрясениями предлагается выполнять необходимые измерения с помощью сейсмологических установок с малой апертурой.

При этом трехкомпонентный геофон выполнен с активными обратными связями.

При этом в используемом блоке анализа имеется функция обнаружения сверхнизкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов предвестников сильных землетрясений, а также предусмотрена возможность отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений – предвестников цунами.

Аналогом такого регистратора является цифровой регистратор сейсмических сигналов типа Дельта 03М, который располагается вертикально.

Регистратор предназначен для автоматической регистрации сейсмических сигналов от естественных и искусственных источников сейсмических колебаний в режиме непрерывного мониторинга с записью и отображением на экране управляющего компьютера диспетчерской станции сейсмических сигналов, поступающих с входов регистратора, для проведения региональной сейсморазведки, микросейсморайонирования, для обнаружения взрывов, оценки сейсмостойкости зданий и сооружений и т.д. Управляющий компьютер устанавливается на региональной диспетчерской станции. Регистратор предназначен для автономной работы в режиме непрерывной регистрации, в режиме по обнаружению сейсмического события с выдачей сообщения на управляющий компьютер о превышении заданного порога или в заранее заданные промежутки времени ("по календарю") с записью результатов на "твердотельную" память объемом до 32 гигабайт.

Регистратор имеет четыре или восемь сейсмических канала регистрации с мгновенным динамическим диапазоном более 136 дБ, высокостабильный термостатированный кварцевый генератор с долговременной нестабильностью 10^-7. Предусмотрен режим непрерывной подстройки опорного генератора с использованием сигналов GPS-приемника при нахождении подводного аппарата на водной поверхности. Так же в регистраторе предусмотрен встроенный режим калибровки сейсмоприемников.

Регистратор управляется через встроенный интерфейс "Ethernet 10/100", что позволяет подключать его через локальные сети, через сети сотовой системы связи (3G, 4G, GPRS маршрутизаторы) к глобальной сети "Интернет", диапазон регистрируемых частот, 0,1…240 Гц.

Программное обеспечение позволяет дистанционно в реальном масштабе времени управлять часами точного времени, режимами работы регистраторов, подключенных к сейсмологической сети, а также получать текущую сейсмическую информацию непосредственно на пункте обработки. Сейсмическая информация конвертируется в форматы CSS. MiniSEED.

Регистратор обеспечивает возможность построения стационарных систем оперативного сейсмологического контроля и прогноза без или с минимальным набором дополнительного оборудования.

Малогабаритный велосиметр СПВ-3К представляет собой трехкомпонентный геофон, который жестко крепиться к корпусу донной станции и представляет собой емкостныйсейсмометр с активными обратными связями(Мишин А.В. и др., Малогабаритный сейсмоприемник СПВ-3К. // Приборы и системы разведочной геофизики, No 1, 2013. с. 35-38). Механическая конструкция прибора выполнена по современным технологиям, выпускается серийно с минимальным использованием импортных компонентов. Исполнение сейсмоприемника обеспечивает возможность работы с ним в широком диапазоне климатических условии, высокую надежность и удобство эксплуатации, в том числе неподготовленным персоналом. Сейсмоприемник имеет малый уровень собственных шумов вследствие чего обладает расширенной областью регистрируемых сигналов по трем компонентам (одна вертикальная, две горизонтальных). Цифровой компас/наклономер размещается под верхней крышкой контейнера и обеспечивает запись магнитного склонения и наклонов станции. Компас/наклономер кабелем соединяется с регистратором. Эти данные предаются на регистратор и доступны для скачивания через сеть.

Конструктивно каждая донная станция содержит контейнер с аппаратурой, источник питания (аккумулятор), мачту с антенной гидроакустической связи, модем, гидрофон. Кабель с гидрофоном опускается в воду сквозь металлическую трубу диаметром 80 мм.

Длина кабеля 10 м. На конце утяжеленный гидрофон. 3-х компонентный геофон СПВ-3К жестко крепиться к нижней крышке контейнера.

Компоненты станции размещаются в контейнере из нержавеющей стали с внешним диаметром 290 мм.

В крышке контейнера располагаются пенетраторы для подключения кабелей посредством телескопических устройств подводного аппарата для подзарядки источника питания и снятия информации с регистратора.

Источник питания располагается в пластиковом герметичном контейнере и выполнен из аккумуляторных батарей из литий-титаната, обеспечивающий работу в температурном диапазоне -50, 60 градусов и имеющий емкость 180 а/ч.

Крышка контейнера донной станции выполнена со специальным оптическим покрытием.

Отражение от поверхности в выбранном спектральном диапазоне может быть усилено за счет нанесения специальных оптических покрытий

(https://www.tydexoptics.com/pdf/ru/Optical_Coatings_ru.pdf). Нанесенные пленки дополнительно могут модифицировать физические свойства поверхности, например, повышать ее стойкость к воздействию влаги.

Из уровня техники известны различные светоотражающие покрытия из которых наиболее совершенным является светоотражающее покрытие, приведенное в источнике RU №2775015 С1. 27.06.2022, которое включает от 10 до 20% масс раствор синтетического фторсодержащего каучукоподобного сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом марки СКФ - 26 в этилацетате и алюминиевую пасту «STAPA 9757» с чешуйками «серебряные доллары» в количестве от 0,05 до 3,0 масс. % от массы фторкаучука в растворе.

Использование синтетического фторсодержащего каучукоподобного сополимера, винилиденфторида с гексафторпропиленом марки СКФ - 26, который является высокомолекулярным эластичным сополимером, обеспечивает светоотражающему покрытию высокую устойчивость к УФ - излучению, высокую адгезийность к металлам, теплостойкость, морозостойкость, атмосферостойкость и озоностойкость, химическую и биологическую инертность, хорошую износостойкость и стойкость к абразивному истиранию, невоспламеняемость, стойкость к старению при высоких температурах. Такое покрытие может использоваться длительное время, до 10 лет. Концентрация раствора от 10 до 20% масс фторсодержащего каучукоподобного сополимера в этилацетате, обеспечивает необходимую и достаточную вязкость раствора, при которой осуществляется простой и быстрый процесс нанесения суспензии на поверхность с помощью кисти, шпателя или краскопульта. За счет оптимальной вязкости раствора обеспечивается исключение оседания алюминиевых чешуек в течение суток, что позволяет использовать раствор в течение рабочей смены. Снижение количества фторсодержащего каучукоподобного сополимера делает раствор жидким, который будет плохо связываться с поверхностью, не давая герметизации поверхности, создавая условия для окисления чешуек алюминия, а превышение его количества повышает вязкость, делает раствор густым, не давая создавать тонкую пленку, что также снижает качество покрытия.

Выбор в качестве растворителя этилацетата обеспечивает хорошее растворение фторсодержащего каучукоподобного сополимера при комнатной температуре, не требуя для этого специального оборудования. 10-20% масс.раствор обеспечивает необходимую концентрацию, при снижении которой раствор будет слишком разбавленным и не даст необходимой консистенции для прилипания покрытия к обрабатываемой поверхности, покрытие будет стекать, образу я пустые не прокрашенные места, а уменьшение этилацетата даст вязкую консистенцию составу, увеличит время сушки, покрытие будет неровным, шероховатым, а. следовательно, его отражающая способность снизится.

Подобранная опытным путем композиция светоотражающего покрытия позволяет проводить процесс нанесения его на обрабатываемую поверхность тонким слоем с применением простых средств, таких как: кисть, краскопульт или шпатель, при этом получается гладкое покрытие с высоким диффузным светоотражающим эффектом не мене 80%.

Функциями донных станций выставленных на позицию, является регистрация сейсмических сигналов, излучение сигналов в ответ на запросный сигнал, передача своих координат, хранение шкалы времени посредством короткопериодного высокочастотного генератора, работа в беззапросном режиме для пеленгования.

Функциями всплывающего буя являются измерение времени распространения скорости звука (ВРСЗ) при всплытии, передача информации о ВРСЗ на донную станцию и подводный аппарат, определение своих координат с использованием СНС, передача своих координат и ошибок их определения по гидроакустическому каналу связи. Наличие спутникового навигационного приемника позволяет ему «знать» свои географические координаты в реальном масштабе времени с высокой точностью (например, точность определения координат посредством спутникового навигационного измерительного модуля типа СПИМ разработки российской фирмы «Навис» не хуже 5 метров). Навигация подводного аппарата относительно ВРГАБ или базы из донных станций может осуществляется как в режиме с длинной, ультракороткой базой (ДБ и УКБ). так и в комбинированном режиме ДБ/УКБ.

Принцип функционирования системы. Подводный аппарат пребывает в район установки донных станций и выполняет определение места, посредством спутниковой навигационной системы с максимально возможной точностью и переходит в точку установки первой донной станции. Установка донной станции производится с горизонта глубин максимально приближенного к морскому дну, с учетом обеспечения безопасности плавания.

Перед выставкой донной станции в ее память закладывается информация о расчетных координатах места установки, ошибки их определения, расчетная глубина места установки, параметры запросных и ответных сигналов донной станции.

Далее подводный аппарат следует в точки установки второй, третьей и четвертой донных станций, в которых перед выставкой каждой донной станции в их память закладывается информация о расчетных координатах места установки, ошибки их определения, расчетная глубина места установки, параметры запросных и ответных сигналов.

Из точки установки четвертой донной станции подводный аппарат следует в точку установки первой донной станции. При подходе к первой донной станции подводный аппарат выполняет передачу запросных сигналов по отношению к первой донной станции, при этом решается задача наведения подводною аппарата на первую донную станцию. С выходом в точку установки первой донной станции определяется ошибка координат, накопленная за период установки первой донной станции. Полученная ошибка используется для уточнения координат способом обратного пересчета.

Далее подводный аппарат выходит в точку геометрического центра позиции, образованной четырьмя донными станциями, и выставляет пятую донную станцию и всплывает на водную поверхность. Перед всплытием в его память закладывается информация об уточненных координатах места установки всех донных станций, ошибки их определения, расчетная глубина места установки, параметры запросных и ответных сигналов донных станций, которые по своей сути образуют ГАС.

Функциями при всплытии подводного аппарата являются измерение времени распространения скорости звука (ВРСЗ), передача информации о ВРСЗ на донные станции и диспетчерский пункт региона исследований, определение своих координат с использованием СНС, передача своих координат и ошибок их определения по гидроакустическому каналу связи или спутниковому каналу связи, позиционирование относительно донной станции над которой происходит всплытие и относительно донных станций, находящихся в зоне действия гидроакустических сигналов.

Всплывая подводный аппарат производит замеры ВРСЗ с их непрерывной регистрацией. С выходом антенны СНС на поверхность подводный аппарат определяет свое место и синхронизирует приборную шкалу времени с системной шкалой времени СНС, Далее подводный аппарат передает сигнал синхронизации шкал времени, с одновременной передачей своих координат и уточненных данных о расположении донных станций, а также профиля ВРСЗ. При этом организуется двухсторонний информационный обмен.

Координаты вычисляются на основе взаимных измерений с оптимальной фильтрацией результатов измерений относительно расчетных координат донных станций. Завершение цикла измерений осуществляется до достижения заданного уровня средней квадратичной ошибки координат ВРГАБ. значения которого передается в навигационном сообщении. При достижении заданного уровня средней квадратичной ошибки координат ВРГАБ происходит взаимный обмен координатами между донными станциями, подводным аппаратом и ВРГАБ, при этом вычисляются их вероятнейшие значения и ошибки. Полученные результаты записываются в ОЗУ ВРГАБ и подводного аппарата и могут передаваться через спутниковые каналы связи. После определения координат донных станций и передачи их в соответствии с заданной программой система переходит в спящий режим. Пробуждение системы производится по внешнему запросу. Система может работать в двух режимах «запрос-ответ» и «пингера».

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

В соответствии с планом проведения исследований подводный аппарат пребывает в район проведения сейсмических работ. Посредством профилографа выбирается ровная площадка, расположенная под днищем подводного аппарата. Самоходный глубоководный аппарат посредством планировщика, под действием управляющих сигналов х и у формирует на своих выходах управляющие сигналы, такие как траекторная скорость, матрицы квадратичных форм от внешних координат, диагональные матрицы постоянных коэффициентов размерностью равной числу измеренных координат, которые поступают на вычислитель планировщика, где формируется матрица сигнала управления скоростью по известным алгоритмам (В.Х. Пшихопов. Аналитический синтез синергетических регуляторов для позиционно - траекторных систем управления мобильными роботами. Материалы XI научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». Под научной редакцией проф. Е.И. Юревича - СПб.: СПбГТУ. 2006) опускается на выбранную площадку. При этом во время спуска выполняются измерения датчиками гидростатического давления и температуры, датчиком измерения скорости распространения звука в воде, датчиком определения прозрачности воды, которые по каналу гидроакустической связи транслируются на блок управления диспетчерской станции. Ориентация самоходного глубоководного аппарата контролируется по измерениям датчиков горизонтальных и вертикальных перемещений, измерителя относительной скорости, магнитного компаса и гироазимутгоризонткомпаса, а также при нахождении аппарата на водной поверхности по информации от приемоиндикатора спутниковой навигационной системы.

При достижении ровной площадки на дне самоходным глубоководным аппаратом производится замер глубины под его килем навигационным эхолотом. Посредством грузоподъемных средств устанавливается первая донная станция. Установка донной станции производится с горизонта глубин максимально приближенного к морскому дну, с учетом обеспечения безопасности плавания. Перед выставкой донной станции в ее память закладывается информация о расчетных координатах места установки, ошибки их определения, расчетная глубина места установки, параметры запросных и ответных сигналов донной станции.

Затем производится подъем подводного аппарата на поверхность. При этом лазерное устройство излучает в направлении донной станции лазерный импульс, который достигнув отражающей поверхности донной станции, переизлучает лазерный сигнал в обратном направлении. Переизлученный сигнал попадает на фотоприемное устройство лазерного устройства подводного аппарата.

Лазерное устройство, выполненное в сине - зеленом диапазоне волн позволяют также реализовать задачу определения глубины под килем подводного аппарата, посредством определения расстояния от его днища до грунта при излучении сигнала в направлении дна. приема отраженного сигнала, измерения промежутка времени между моментом излучения до момента приема сиг нала и вычисления по полученным результатам глубины. Измерение промежутков времени выполняют в двух точках, расположенных на известном расстоянии по вертикали, фиксируя их по двум совпадающим отличиям в форме сигналов, например, по экстремальным значениям, а глубину вычисляют по известной формуле. Излучатель лазерного передающего устройства выполнен в виде твердотельного лазера на алюмоиттриевом гранате сине - зеленного светового спектра с диапазоном длин излучаемых волн 0,42÷0,53 мкм. Фотоприемное устройство выполнено в виде оптического приемника с диаметром приемной поверхности 30 см, что обеспечивает стабильный прием отраженных сигналов в диапазоне глубин до 800 м.

Излучатель лазерного передающего устройства работает в зеленом диапазоне (532 нм) и предназначен для определения пространственного положения точек отражения от дна водоема и позволяет одновременно получать как батиметрические, так и топографические данные на прибрежную территорию. Аналогом является лазерный батиметр типа «HawkEyell» компании АНАВ.

При выполнении подводным аппаратом данной миссии, посредством контрольного датчика направления излучения, который представляет собой судовой пеленгатор (координатно-чувствительный приемник) обеспечивается контроль отклонения мощного лазера передатчика от расчетной оптической оси. Это отклонение может достигать от импульса к импульсу долей млрад (до одной трети ширины диаграммы излучения мощного лазера).

При размещении устройства в кардановом подвесе, связанным с бортовой инерциальной навигационной системой (гировертикалью), с датчиков карданового подвеса можно снимать отклонение главной оптической оси от вертикали места.

При достижении подводным аппаратом водной поверхности производится определение координат по спутниковой навигационной системе.

Так как лазерное устройство имеет ограничения по приему стабильного сигнала в зависимости от глубины (расстояния) от отражающей поверхности донной станции, то при достижении критических расстояний, подводный аппарат зависает над донной станцией и с подводного аппарата выпускают ВРГАБ. посредством которого выполняют определение координат по спутниковой навигационной системе. Посредство удержания подводного аппарата по главной оптической оси лазерного устройства и определения координат по спутниковой навигационной системе позволяют повысить достоверность определения координат установленной донной станции с максимально возможной точностью.

Далее подводный аппарат следует в точки установки второй, третьей и четвертой донных станций, в которых перед выставкой каждой донной станции в их память закладывается информация о расчетных координатах места установки, ошибки их определения, расчетная глубина места установки, параметры запросных и ответных сигналов.

Из точки установки четвертой донной станции подводный аппарат следует в точку установки первой донной станции. При подходе к первой донной станции подводный аппарат выполняет передачу запросных сигналов по отношению к первой донной станции, при этом решается задача наведения подводного аппарата на первую донную станцию. С выходом в точку установки первой донной станции определяется ошибка координат, накопленная за период установки первой донной станции. Полученная ошибка используется для уточнения координат способом обратного пересчета.

Далее подводный аппарат выходит в точку геометрического центра позиции, образованной четырьмя донными станциями, и выставляет пятую донную станцию и всплывает на водную поверхность. Перед всплытием в его память закладывается информация об уточненных координатах места установки всех донных станций, ошибки их определения, расчетная глубина места установки, параметры запросных и ответных сигналов донных станций, которые образуют гидроакустическую навигационную систему (ГАНС).

Всплывая подводный аппарат производит замеры ВРСЗ с их непрерывной регистрацией. С выходом антенны СНС на поверхность подводный аппарат определяет свое место и синхронизирует приборную шкалу времени с системной шкалой времени СНС. Далее подводный аппарат передает сигнал синхронизации шкал времени, с одновременной передачей своих координат и уточненных данных о расположении донных станций, а также профиля ВРСЗ. При этом организуется двухсторонний информационный обмен.

Координаты вычисляются в каждом элементе ГАНС на основе взаимных измерений с оптимальной фильтрацией результатов измерений относительно расчетных координат донных станций. Завершение цикла измерений осуществляется до достижения заданного уровня средней квадратичной ошибки координат ВРГАБ. значения которого передается в навигационном сообщении. При достижении заданного уровня средней квадратичной ошибки координат ВРГАБ происходит взаимный обмен координатами между донными станциями, подводным аппаратом и ВРГАБ, при этом вычисляются их вероятнейшие значения и ошибки. Полученные результаты записываются в ОЗУ подводного аппарата и ВРГАБ и могут передаваться через спутниковые каналы связи. После определения координат донных станций и передачи их в соответствии с заданной программой система переходит в спящий режим. Пробуждение системы производится по внешнему запросу. Система может работать в двух режимах «запрос-ответ» и «пингера».

Блок решения навигационных задач в парной параллактической системе координат, предназначен для повышения точности определения координат при взаимном пеленговании подводного аппарата и донных станций. Принцип функционирования блока решения навигационных задач в парной параллактической системе координат основан на известных алгоритмах (Гузевич С.Н. «Параллактическая система координат, как основа достоверных локационных измерений» // «Авиакосмическое приборостроение» 2020 №4, с 15-24, Гузевич С.Н. «Использование параллактической системы координат при навигационных измерениях» // «Авиакосмическое приборостроение» 2020 №12, с 35-45).

Парная параллактическая сферическая система координат обеспечивает управление характером взаимодействия при измерении, путем деления взаимных углов наблюдаемых полей объектов в пространстве на равные части по линейным и угловым параметрам, обеспечивая их связь зависимостью «золотого сечения».

Парная параллактическая сферическая система координат обеспечивает передачу информации об углах наблюдений объектов проецированием и проектированием, обеспечивая сравнение полученных проекций на двух ортогональных осях плоскости измерений. Проецирование связывает поля объектов общей плоскостью наблюдений, обеспечивая их связь встречными параллактическими углами и зависимостью геометрического среднего. Проектирование отображает центрированную ориентацию оси наблюдений в проекциях утла наблюдений на осях координат плоскости измерений в шаре, связывая их тригонометрической зависимостью.

Поля объектов играют основную роль в передаче информации о положении, ориентации и размерах объекта, обеспечивая их связь по зависимостям геометрического среднего являющихся природной зависимостью.

Реализация парной параллактической сферической системы координат позволяет существенно уменьшить погрешности определения координат, как подводного аппарата, так и донных станций. В парной параллактической сферической системе координат обеспечивается точное геометрическое описание кубического затухания полей объектов в пространстве в зависимости от параллактического угла их наблюдения, обеспечивая однозначные решения прямых и обратных задач при определении углов и расстояний при определении места подводного аппарата.

После окончания миссии установки донных станций подводный аппарат может выполнять задачу регистрации сейсмических сигналов посредством сейсмической косы или при нахождении в дрейфе на морской поверхности может быть использован в качестве дрейфующей станции для регистрации сейсмических сигналов, посредством гирлянды гидрофонов.

Изобретение может быть использовано для проведения подводных 2D, 3D, 4D сейсмических исследований круглогодично на акваториях, как без ледового покрова, так и покрытых льдом.

Источники информации.

1. Патент RU №2545092 С2. 27.03.2015.

2. «Средства и методы океанологических исследований» Москва, «Наука» 2005, авторы Г.В. Смирнов и др., с. 61-70.

3. Патент RU №2690038 С1, 30.05.2019.

4. Патент RU№2650849 С1, 17.04.2018.

5. Патент RU№2576351 С2. 27.02.2016.

6. Патент ЕА №26658 В1. 31.05.2017.

7. Патент US №10341032 В2, 02.07.2019.

8. 3аявка US №20170075014 А1, 16.03.2017.

9. Патент RU №2734341С1. 15.10.2020.

Claims (1)

1. Способ установки морского полигона донных станций, заключающийся в выносе за борт донных станций, с размыкателями балласта, гидроакустической аппаратурой, датчиками магнитного поля, при этом с целью обеспечения точной геометрии расположения станций на дне одновременно с кормы судна и с разных бортов опускают три донные станции, отличающийся тем, что дополнительно на морское дно опускают еще две донные станции, при этом судно-носитель выполнен в виде автономного необитаемого подводного аппарата, оснащенного приемоиндикатором спутниковых навигационных систем, гидроакустической навигационной аппаратурой и сканирующим гидролокатором, причем установка донных станций производится с горизонта глубин, максимально приближенного к морскому дну, с учетом обеспечения безопасности плавания подводного аппарата, определяемого посредством сканирующего гидролокатора, посредством которого также определяют глубину установки донной станции и выбирают участок дна с равномерным и однородным участком, при установке первой донной станции выполняют ее позиционирование путем взаимного пеленгования по гидроакустическому каналу связи при движении подводного аппарата на морскую поверхность, при достижении которой определяют посредством приемоиндикатора спутниковых навигационных систем координаты подводного аппарата, при движении подводного аппарата на морскую поверхность измеряют время распространения скорости звука, которые транслируются в память донной станции, при установке последующих донных станций последовательность операций по их установке соответствует последовательности при установке первой донной станции, при движении к точкам установки последующих донных станций, позиционирование подводного аппарата выполняют путем взаимного пеленгования с уже установленными донными станциями, посредством донных станций на морском дне формируют квадрат, на пересечении диагоналей которого устанавливают пятую донную станцию, при регистрации сейсмических сигналов подводный аппарат размещают на морской поверхности, взаимное пеленгование выполняют путем формирования парной параллактической сферической системы координат.