/
Author: Агеев М.Д. Киселев Л.В. Матвиенко Ю.В.
Tags: гидротехническое строительство строительство каналов мелиоративное строительство кибернетика монография подводный мир океан подводные исследования океанология океаны
ISBN: 5-02-033526-6
Year: 2005
Text
♦
АВТОНОМНЫЕ
ПОДВОДНЫЕ
НАУКА
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОРСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES
FAR EASTERN BRANCH
INSTITUTE OF MARINE TECHNOLOGY PROBLEMS
AUTONOMOUS
UNDERWATER
ROBOTS
SYSTEMS AND TECHNOLOGY
Edited by Academician
M.D. AGEEV
e
MOSCOW NAUKA 2005
АВТОНОМНЫЕ
ПОДВОДНЫЕ
РОБОТЫ
СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Под общей редакцией академика
М.Д. АГЕЕВА
В
МОСКВА НАУКА 2005
УДК 626
ББК 32.816
А22
Ответственный редактор
Л.В. КИСЕЛЕВ
Автономные подводные роботы: системы п технологии / М.Д Агеев,
Л.В. Киселев, Ю.В. Матвиенко и др.; под общ. ред. М.Д. Агеева; [отв.
ред. Л.В. Киселев]; Ин-т проблем морских технологий. - М.: Наука.
2005. - 398 с. - ISBN 5-02-033526-6.
Монография посвящена проблемам и достижениям, связанным с созданием и
практическим использованием автономных необитаемых подводных аппаратов для
исследования и освоения океана. Представлены основные зарубежные и отечественные
глубоководные аппараты и обобщен опыт Института проблем морских технологий ДВО
РАН в области подводной робототехники. Рассматриваются области применения авто-
номных аппаратов-роботов, принципы организации архитектуры бортовых систем п
программная среда, задачи и методы управления движением, средства и методы навига-
ционного обеспечения, состав и особенности научно-исследовательского комплекса, пер-
спективы создания на основе новых технологий глубоководных аппаратов с большой
автономностью и универсальным набором рабочпх функций.
Для научных и деловых кругов в области морских технологий, океанологии, под-
водной робототехники, гидроакустики и экологического мониторинга водной среды.
Autonomous underwater robots: systems and technology / M.D. Ageev,
L.V. Kiselev, Yu.V. Matvienko; Edited by M.D. Ageev; [Executive Ed.
L.V. Kiselev]; Institute of Marine Technology Problems. - M.: Nauka, 2005. -
398 p. - ISBN 5-02-033526-6.
The book presents problems and achievements connected with development and practical use
of the autonomous underwater vehicles for investigation and exploration of the ocean. The main
foreign and home-produced underwater vehicles are presented including the generalized experience
of the Institute of Marine Technology Problems FEB RAS in the field of underwater robotics. In the
monography the following are presented: the fields of effectiv use of autonomous vehicles-robots,
principles of on-board systems architecture and software environment, tasks and methods of
movement control, means and methods of navigation, structure and features of research complex,
creation perspectives on the base of new technologies of underwater vehicles with great
indepedence and universal collection of operating functions.
For scientific and expert circles in the field of marine technology, oceanology, underwater
robotics, hydroacoustics and monitoring of underwater environment.
ТП-2005-1-167
ISBN 5-02-033526-6 © Российская академия наук, 2005
© Редакционно-издательское оформление.
Издательство "Наука", 2005
ВВЕДЕНИЕ
За последние два-три десятилетия в различных странах зани-
мающих ведущее положение в области морскихТехнологий
было создано значительное число автономных необитаемых под-
водных аппаратов (АНПА) для решения широкого круга науч-
ных и прикладных задач по исследованию и освоению океана. За
короткий период АНПА продемонстрировали свою эффектив-
ность при выполнении достаточно сложных глубоководных
обзорно-поисковых и обследовательских работ и открыли ряд
новых важных применений для морской геологической разведки,
изучения подводной обстановки и экологического мониторинга
водной среды.
Современные многоцелевые АНПА представляют собой
новый класс подводных робототехнических объектов с прису-
щими им задачами и практическим применением, особенностями
технологии, составом систем и функциональными свойствами.
Проблемы, связанные с созданием и развитием АНПА, много-
плановы и во многих случаях не имеют пока законченных реше-
ний. Системы, входящие в состав АНПА и судового оборудова-
ния, отличаются большим разнообразием по назначению и физи-
ческим принципам работы, что порождает достаточно жесткие и
противоречивые требования к технологии и системной орга-
низации. Расширение функциональных возможностей АНПА
связано также с решением ряда новых теоретических задач.
В первую очередь это задачи управления п навигации, ориен-
тирования в подводном пространстве, сбора и накопления раз-
нообразной целевой информации о среде и, наконец, обеспе-
чения безопасности аппарата в штатных режимах и в особых
ситуациях.
Создание AUV {Autonomous Underwater Vehicles') за рубежом
осуществляется при посредстве коммерческих фирм, научных
организаций, военных ведомств и относится к числу наиболее
приоритетных направлений в океанотехнике. Опыт США, Кана-
ды, Японии, европейских стран свидетельствует о том, что в нас-
тоящее время автономные аппараты способны решать широкий
круг задач по океанографии, обслуживанию сооружений и ком-
муникаций, освещению подводной обстановки, морской геолого-
разведке, экологии и мониторингу и ряду других применен! ,
5
включая работы подо льдом и разнообразные применения п
военной области.
Если первоначально информация о AUV носила преиму-
щественно обзорно-рекламный характер, то в настоящее время
больше внимания уделяется практическим достижениям, про-
граммам, проблемам и технологиям систем. Тем не менее вся
доступная информация касается, как правило, отдельных раз-
работок, их технических характеристик, результатов испытании
аппаратов и функциональных моделей управления.
Институт проблем морских технологии (ИПМТ) ДВО РАН
имеет более чем 30-летнпп опыт создания и использования
АНПА для исследования океана и выполнения различных под-
водно-технических работ. Первоначальный опыт, основанный на
разработке АНПА "Скат-гео", получил свое отражение в кол-
лективной монографии "Автоматические подводные аппараты",
вышедшей в издательстве "Судостроение" в 1981 г. В дальней-
шем отдельные результаты проводимых теоретических исследо-
ваний и практических разработок публиковались в журнальных
статьях, трудах международных конференций, в тематических
сборниках "Подводные роботы и их системы" (1987-1995) и
"Морские технологии" (1996-2003), коллективной монографии
"Автономные необитаемые подводные аппараты" (2000, изд-во
"Дальнаука"). В настоящее время подводная робототехника
стремительно развивается на основе новых компьютерных и
информационных технологий, достижений в области прибо-
ростроения и создания энергоемких источников питания. В связи
с этим достаточно очевидной представляется необходимость
обобщения всего имеющегося опыта в данной области, оценки
достигнутых результатов и некоторых наметившихся тенденций.
При подготовке монографии был использован ряд зару-
бежных первоисточников, в том числе:
•труды ежегодных конференций "Underwater Intervention",
UUST (Unmanned Untethered Submersible Technology) "Ocean "
PACON,
•издания "ROV Review", журналы "Sea Technology", "Under-
technology • IEEE Journal of Ocean Engineering",
Underwater Systems Design ",
• интернет-сайты: auvlab.mit.edu, adcp.whoi.edu
www.oe.fau.edu,www.datasonics.com
www.sonatech.com.product,www.mors.fr/produc, www ore com
www.kongsberg-simrad.com.
^^°Н0ГрафИЯ дает пРеДставление об основных достижениях и
р лемах, связанных с созданием и дальнейшим развитием
6
АНПА и их систем. При этом авторы не ставили себе целью
охватить всю историю АНПА и тем более дать исчерпывающий
анализ всех аспектов их создания и использования. По этой при-
чине некоторые вопросы по проектированию, энергетике и
технологии разработки систем рассмотрены лишь в той мере, в
какой это необходимо для общего представления.
Вклад авторов по главам книги распределился следующим
образом:
М.Д. Агеев - общая редакция; Л.В. Киселев - научная редак-
ция; гл. 1-7 подготовлены совместно: М.Д. Агеев - гл. 1, 4, 6;
Л.В. Киселев - введение, гл. 1, 3-5, 7, заключение; А.В. Ин-
зарцев- гл. 2, 5; А.Ф. Щербатюк - гл. 4, 7; Б.А. Касаткин,
Ю.В. Матвиенко - гл. 3, 4, 7; В.В. Золотарев - гл. 4, 7; Н.И. Ры-
лов - гл. 1,7. В подготовке материала для отдельных глав участ-
вовали Ю.В. Ваулин, В.Е. Горнак, Г.В. Косарев, А.К. Кукарских.
Большая часть книги основана на результатах работ, выпол-
ненных в ИПМТ ДВО РАН. Авторы выражают глубокую при-
знательность всем сотрудникам, внесшим свой вклад в общее
дело. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фун-
даментальных исследований (РФФИ), проект 03-01-00275-а.
Глава 1
ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ АНПА:
ПРОБЛЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
1.1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ПОДВОДНОЙ РОБОТОТЕХНИКИ
За последние два десятилетия в подводной робототехнике,
как и в других смежных областях, произошел весьма значитель-
ный прогресс, и многие проблемы, казавшиеся раньше трудно-
разрешимыми, в настоящее время служат предметом интенсив-
ных исследований и реализации новейших проектов. Некоторые
из этих проблем идейно сформировались еще при разработке
первых простейших образцов аппаратов, однако реальный
прогресс в технологии и функциональном развитии автономных
аппаратов и их систем оказался возможным лишь при исполь-
зовании новых системных, компьютерных и электронных техно-
логий. Поэтому, пытаясь проследить некоторые тенденции этого
развития, мы судим о них с позиций сегодняшнего дня, опираясь,
главным образом, на те достижения, которые подтверждены
практикой.
Становление и развитие АНПА происходило под влиянием
ряда обстоятельств, имевших важное значение для формиро-
вания общего облика аппаратов этого класса и выработки основ-
ных принципов их создания.
1, Опыт создания и использования автономных необитаемых
подводных аппаратов в различных странах представляется
достаточно уникальным и, в определенной мере, является ре-
зультатом "завоевания" автономными аппаратами своего места в
общем комплексе подводных технических средств [1-4; 15; 33;
36-40]. Вместе с тем этот опыт связан с теми традициями, кото-
рые сложились в различных странах и фирмах, работающих в
области морских технологий. Несмотря на существующие
различия в выборе конструктивных и функциональных схем, в
ряде наиболее известных зарубежных разработок и проектов
используются достаточно общие однотипные подходы, отвечаю-
щие назначению аппаратов и характеру решаемых ими задач. Во
8
многом эти подходы аналогичны тем, которые сложились и
использовались в практических разработках ИПМТ ПВО РАН
хотя определенная дань техническим традициям присутствует во
всех известных разработках. и ^уилвует во
Наиболее значительные результаты в последнее время стали
возможны благодаря участию в разработках специализирован-
ных фирм по оснащению аппаратов системами промышленного
изготовления на основе международных стандартов, измеритель-
ными приборами и научным оборудованием. По сравнению с
первыми образцами аппаратов, где преобладали элементы
самодельных" экспериментальных разработок, в последних
проектах применяются в большей степени системы и методы,
реализуемые на промышленной элементной базе. "Самодельны-
ми остаются лишь разработки, либо не имеющие соответствую-
щих аналогов, либо требующие осуществления определенных
новаций применительно к условиям АНПА. Доля подобных
разработок и экспериментальных исследований остается в
настоящее время еще довольно значительной, хотя и снижается в
результате внедрения более совершенных технологий.
2. Современные многоцелевые АНПА представляют собой
новый класс подводных робототехнических объектов с прису-
щими им задачами и практическим применением, особенностями
технологии и составом систем. При этом системы, входящие в
состав АНПА и судового оборудования, отличаются большим
разнообразием по назначению и физическим принципам их рабо-
ты, что порождает достаточно жесткие и противоречивые требо-
вания к технологии конструирования и внутренней системной ор-
ганизации. Расширение функциональных возможностей АНПА
связано также с решением ряда новых теоретических задач.
В первую очередь, это задачи управления и навигации, ориенти-
рования на местности, сбора и накопления разнообразной целе-
вой информации о среде и, наконец, обеспечения безопасности
аппарата в штатных режимах и в особых ситуациях. Необходимо
отметить, что не только решение, но и сама постановка по
добных задач во многих случаях еще требуют теоретических
обоснований и проведения экспериментов на макетах и моделях.
3. Использование новых технологий значительно расширило
сферу применения АНПА. В настоящее время имеется
тельное число проектов и действующих разраооток. р
ванных не только на ранее сложившиеся сравните. новых
ные области применения, но и на выполнение с°®еР сле^ н
работ по океанографии, обслуживанию раэл! Р
военных программ. Одной из наиболее важн
9
направлении является увеличение автономности па основе более
емких и возобновляемых энергоисточников, в ч.кл noct и. па ос-
нове солнечных батарей. Другой нс менее важной задачей явля-
ется расширение функциональных свойств аппаратов, придание
им функций "интеллектуального" поведения.
К числу наиболее актуальных сфер применения современных
АНПА можно отнести;
1) обзорно-поисковые работы, включая поиск и обследова-
ние затонувших объектов, инспекцию подводных сооруже-
ний и коммуникаций (трубопроводов, водоводов, кабелей);
2) геологоразведочные работы, включающие топографи-
ческую и фото-видеосъемку морского дна, акустическое
профилирование и картографирование рельефа;
3) подледные работы, в том числе прокладка кабеля на ар-
ктическом дне, обслуживание систем наблюдения и осве-
щения подледной обстановки;
4) океанографические исследования, мониторинг водной
среды;
5) работы военного назначения, включающие, в частности,
противолодочную разведку, патрулирование, обеспечение
безопасности объектов военной техники, поиск и обез-
вреживание мин.
По всей видимости, в настоящее время нет достаточных ос-
нований говорить о приоритетном развитии тех или иных нап-
равлений по применению и специализации АНПА. Можно от-
метить лишь определенные тенденции в использовании наряду с
хорошо отработанными бортовыми системами и структурами
универсальных робототехнических комплексов из относительно
простых, малых и дешевых аппаратов.
Существуют различные оценки эффективности автономных
аппаратов по сравнению с другими средствами, которые обычно
используются для глубоководных работ. Так, в редакционной
статье [ ] приводятся сведения об экономии, которую, как под-
ня^дытт^™11351 компания Shell, она могла бы получить, приме-
пппгпп ДЛЯ ряДа обь1чнь,х глубоководных обследований и
нов ппя'г1«ГВеННЬ'Х задач’ Задачи включают: обследование райо-
сбор океаногпя<ЬКВаЖИН’ маРшРУтов прокладки трубопроводов,
чтоРза пять п Р Ф Данных. Компания Shell подсчитала,
рационных зТЛ” сэкономить ЮО млн долл, на прямых опе-
проектировании После эт СЧСТ °Граничения консерватизма в
ли эти данные на себя н п ° Другие компании экстраполирова-
чтобы разобраться с н Р°Вели Дополнительные исследования,
о ыми возможностями снижения затрат
10
благодаря применению АНПА В тТ1»
зультаты оценок, выполненных КпигП.< мР Одятся также ре-
Siuirad. Согласно этим оценкам эконо °ТТ0М для Kongsberg
и лим оценкам экономия от применения липа
может составить 772 млн долл. Очевидно, для ?ого чтобы реми
зовать такую потенциальную возможность, технология авт0“м
ных аппаратов должна удовлетворять определенным требова-
”АМПАаКп "° МИеНИЮ аВ1°Ра СТЭТЬИ [33]’ име(°Щей название
АНПА для подводных работ - инновация или игрушка от высо-
ких технологии. , для успешного применения АНПА необходи-
мо выполнить следующие требования: технология должна быть
направлена на то, чтобы "делать работу"; она должна обеспечи-
вать минимальный потребительский риск и экономический эф-
фект. Вопрос, который прозвучал в этой работе, опубликован-
ной в 1997 г., возник значительно раньше, когда перед специа-
листами впервые встала задача преодоления "барьера глубины"
при непременных условиях — аппарат должен быть относительно
небольшим, надежным и достаточно универсальным, т.е. должен
обеспечивать возможность функциональной перестройки. Про-
тиворечивость указанных требований достаточно очевидна. Оче-
видно также и то, что многие из этих требований могут быть от-
несены и к целому ряду других подводных технических средств, в
которых используются устройства общего назначения и которые
служат для решения некоторых однотипных частных задач.
Как показал опыт ИПМТ ДВО РАН по созданию автоном-
ных, телеуправляемых и буксируемых аппаратов, противоречи-
вость ряда требований разрешается благодаря использованию
унифицированных конструктивных модулей, разработанных с
учетом их функционирования на борту глубоководного аппара-
та. Аналогичный принцип был, по-видимому, положен в основу
некоторых зарубежных разработок, в частности, французского
глубоководного аппарата "Epaulard" [17] и, в дальнейшем,„мно-
гих современных аппаратов, таких как американский AUSS [18-
20], канадский "Theseus" [21-23], европейский "MARIUS [24, 25].
При создании глубоководных АНПА стремление уменьшить
массу и размеры приводит к росту числа индивидуальных разра-
боток. Связано это с тем, что серийная аппаратура зачастую не
может быть применена в качестве комплектующих элементов
аппарата из-за неприемлемых масс и габаритов, роме то о,
обычной является ситуация, когда необходимая сершная Р
дукция вообще отсутствует, а комплектующие изделия
только в виде недостаточно совершенных и ДОР д
экспериментальных образцов. Другая особенность ыежлу
на с необходимостью выбора компромиссных ре
11
универсальностью и специализацией, причем во многих случаях
грань, их разделяющая, достаточно размыта. Универсальность
АНПА может быть реализована двумя различными подходами в
зависимости от целей, которые при этом преследуются.
В том случае, когда речь идет о создании эксперимен-
тального аппарата, предназначенного для проведения различных
натурных экспериментов по отработке бортовых систем, каждая
из систем разрабатывается первоначально с некоторым резер-
вом и размещается на аппарате в индивидуальном блоке. Напри-
мер, для развития средств и алгоритмов бортовой автономной
навигации целесообразно иметь отдельный блок, который
наряду с реализацией отработанных алгоритмов счисления коор-
динат на базе традиционных датчиков позволял бы эксперимен-
тировать с введением в управление новых средств и алгоритмов.
Это возможно лишь при наличии в блоке резерва по размеще-
нию дополнительных электронных схем, подключению новых
датчиков, наращиванию алгоритмов иа бортовой ЭВМ, вхо-
дящей в состав блока. То же самое можно сказать и о других
системах, претерпевающих какие-либо изменения в процессе
экспериментов. Аналогично и сама конструкция аппарата долж-
на допускать возможность применения различных модификаций.
При создании АНПА, который должен служить рабочим
инструментом для выполнения конкретных работ в океане, все
его функции должны быть достаточно отработаны для каждой
конкретной конфигурации систем. Какой либо резерв здесь, по
крайней мере, нежелателен либо вообще недопустим, поскольку
приводит к ухудшению тактико-технических характеристик
аппарата. Переналадка рабочего аппарата иа заданную функцию
должна производиться простыми и надежными способами путем
подключения, замены или удаления унифицированных програм-
мно-аппаратных модулей.
1.2. ЗАРУБЕЖНЫЕ АНПА (AUV)
Рассмотрим наиболее известные зарубежные разработки,
касаясь в основном принятой в иих технологии и функциональ-
IX возможностей для решения тех или иных задач. Из зарубеж-
XXnra3Pa60TOK/t/V ПослеД™х лет К наиболее значительным
ZTXPl3Pa6°™ таких фирм’ как канадская ISE, американ-
ского;^ФРаНЦУЗС1<аЯ !EREMER> а также проекты Европей-
Японип R РЦИуМа И рЯДа ДРУГИХ научных организаций США и
наиболее ч;?“ВеДеНН°Й НИЖе таблиде (табл. 1-D представлены
начительные зарубежные разработки A UV.
12
Таблица 1.1. Некоторые характеристики зарубежных автономных подводных аппаратов
Назначение, область при- менения Название, страна, разработчик, год осуществления первого проекта Масса, кг Размеры, м Глубина м Автоном- ность, часы
1).2),5) "AUSS", США, NOSC, 1991 1270 5,2x0,8x0,8 6000 10
0,4) "АЕ-2", Япония, Токийский университет, 1992 260 3,0x1,3x0,9 1000 24
0,2), 4) "R1", Япония, Токийский университет, 1992-98 4000 8,2x1,1x1,1 3000 24
0,4) "EX 1 "("URASH1MA"), Япония, JAMSTEC, 2000 7500 10x1,3x1,5 3500 40
"Theseus'', Канада, ISE, 1993-95 8845 11x1,3x1,3 1000 60
3),4),5) "ALTEX", Канада, MBARI, 2001 1000- 4,2x0,53x0,53 1500 12
1300 5,96x0,53x0,53
"Odyssey", США, MIT, 1992 200 2,2x0,6x0,6 6000 36
4). 5) "Ocean Explorer", США, FAU, 1992-95 400 2,1x0,53x0.53 300 8-12
2), 3), 4) "MARIUS", "MARTIN" Европейский консорциум, 1995 1400 4,5x1, lx 0,6 1000 28
3). 4), 5) "Aulosub-l", Англия, SOC, 1995 1500 6,8x0,9x0,9 6000 34
"REMUS", США, WHOl, 1995-98 30 1,34x0,19x0,19 150 4-12
2). 4), 5) "Hugin", Норвегия, Simrad, 1995-98 1000 4.32x0,73x0,73 3000 30
"ALISTAR", Франции, ECO, 2002 1000 3,5x1,35x1,4 3000 15-20
"MAR1DAN 600", Германия, STN ATLAS Eleclronik; 1500 4,5х2,0х0.6 600 7-15
Дания, MAR1DAN ApS, 2001 .
Следует отметить. что разделение аппаратов по областям их
применения является довольно условным, так как многие .и
современных аппаратов достаточно универсальны, и при cool
ветствующем оснащении они могут быть использованы для
решения самых разнообразных задач. Наиболее показательны в
этом отношении "многоцелевые" аппараты, которые могут
использоваться для поиска п обследования объектов (в том числе
для инспекции трубопроводов п других коммуникации), топо-
графической съемки в картографирования, мониторинга водноп
среды, в военных целях. Поэтому, группируя существующие ап-
параты по их основному назначению, мы не ставим себе цель
отнести их к тому или иному классу, а хотим лишь подчеркнуть
некоторые их особенности, обусловленные характером решае-
мых задач.
Обзорно-поисковые и обследовательские работы
Исторически наибольшее практическое значение в развитии
АНПА имели обзорно-поисковые задачи. Первоначально их
суть заключалась в обеспечении эхолокационной и фотогра-
фической съемки дна по площади с целью поиска и обнаружения
затонувших объектов, а также в проведении различных физичес-
ких измерений по характерным маршрутам и профилям.
В последующем обзорно-поисковые задачи усложнились,
благодаря включению в них функций обследовательского харак-
тера. Специализация аппаратов на решении подобных задач
привела к появлению отдельного класса обзорно-поисковых и
обследовательских аппаратов.
Современные АНПА способны выполнять довольно разно-
образные обзорно-поисковые и обследовательские работы:
съемку диа по площади, поиск и обследование затонув-
“ Г® И искУсственных сооружений, геологоразведку и
ет гр®ФиРование Дна. Задача поиска и обследования реша-
чГются ° В несколько этапов’ в сценарий которых вклю-
’°Р™аци\навигационного обеспечения (систем гидро-
судовогоТом " СПУТНИКОВОЙ навигации), подготовка систем
судового комплекса'
’ХЗноейсъ₽Й °б30Р Рай°на поиска "Утем крупно-
вого обзора (ГБоГи н™ ° ПоМощью гидролокаторов боко-
Дования- } ” нанесение целей для детального обсле-
14
• выход аппарата на объект поиска (заданную цель) и выпол-
нение обследовательских действий в ближней зоне с ис
пользованием фото и телевизионных систем и высокораз-
решающих сканирующих гидролокаторов; Р
• общее освещение подводной обстановки в районе работ
обработка и документирование полученной информации ’
Последнее предполагает сбор, накопление и оперативную
передачу информации обзорно-поисковых систем, геофизичес-
ких датчиков, измерителей параметров среды. В перечень тех-
нических средств, используемых в мировой практике при прове-
дении поисковых и обследовательских работ, можно включить
следующие системы и устройства.
Носители', буксируемые аппараты, автономные аппараты,
легкие (обзорные) телеуправляемые аппараты, тяжелые (рабо-
чие) аппараты.
Навигационные средства и средства технического зрения:
гидроакустические навигационные системы (ДБ и УКБ), гидро-
локаторы бокового и секторного обзора, многолучевой эхолот
(картографирование и поиск), акустический профилограф,
телевизионные и фотосистемы, системы электромагнитного и
магнитометрического поиска.
Рабочие исполнительные устройства: легкие манипуля-
торы, тяжелые манипуляторы и инструменты к ним, специаль-
ные механизмы (кабельные резаки и пр.)
Из зарубежных обзорно-поисковых аппаратов типичным
примером является AUV "AUSS" (Advanced Unmanned Search
System), созданный в 1991 г. в военно-морском центре США
(NOSC). Прототипом служил автономный аппарат, модифици-
рованный на основе привязного аппарата "CURV. Основное
назначение "AUSS" - эхолокационный обзор дна, поиск и фото-
съемка объектов. Аппарат может быть использован в автоном-
ном и супервизорном режимах управления при длительности
автономной работы до 10 час. Опыт применения аппарата для
обзора и съемки дна свидетельствует о его достаточно высоко!
эффективности. В частности, в [20] приведены результаты раоот
по обнаружению и обследованию затонувшего военного
та вблизи Калифорнийского побережья на глу ина*д°_’
Для крупномасштабной съемки дна использовался
бокового обзора, а более детальное обследование пр обзора и
с помощью сканирующего гидролокатора в виде
видео-фото камер. Результаты съемки пред МНению со-
ГБО-изображений, видеофильма и фотомозаики. П .
15
i J7/V -a 7/99" сочетание автономного п супервизор!!»! о
X™ ™ра.«н“ “
Еоватечьскпе функции аппарата п, кроме того, даст псрспск-
™для ряда других применений. Вместе с тем отмечается, что
проблемы организации высокоскоростного акустического капа-
да телеметрии и телеуправления пока трудно преодолимы, п
заменой супервизорного управления может служить оптоволо-
конная связь. По существу, такой аппарат является полуавтоном-
ным ИЛИ телеуправляемым с возможностью выполнения авто-
номных функций. При супервпзорном управлении оператор име-
ет возможность получать данные в ''почти реальном’ масштабе
времени и перепрограммировать при необходимости действия
аппарата. Канал телеметрии в "AUSS" позволяет передавать гид-
ролокационные изображения от аппарата на пост управления, а
канал телеуправления - команды сверху на экстренные действия.
Обследование протяженных объектов
(кабелей, трубопроводов, водоводов)
В последнее время наблюдается интенсивное использование
автономных аппаратов для проведения топографической съемки
дна как для чисто научно-исследовательских целей, так и для ра-
бот на коммерческой основе. Значительный опыт работ в этой
области приобрел норвежский центр подводных исследований
(NDRE), который при поддержке фирмы Simrad осуществил ряд
программ по картографированию морских акваторий и обследо-
ванию нефтепроводов. Для проведения работ использовались
модификации аппарата Hugin, отличающиеся энергоемкостью
источника питания и автономностью. Проводимые работы с ис-
пользованием АНПА имели преимущественно эксперименталь-
ный характер, однако экономические оценки свидетельствуют о
значительном преимуществе АНПА по сравнению с телеуправ-
ляемыми аппаратами. Так, по данным, приведенным в статье
затпатк ™ C°St °fsUrVeyS" В «УРиале Offshore, March, 1995,
200миьеНпП пСЛеД°датп’е подводного трубопровода длиной
Щие затоаты ЩЬЮ в Раза меньше, чем соответствую-
STnapaS Пои? ИСПОЛЬЗОван™ привязного телеуправляемого
о ЕГ Т' 'Ще бОЛ“ когда
твержпается опкЛ« работ на больших глубинах. Это под-
аппаратов для обслеплНИяСП°ЛЬЗОВаНИЯ автономнЬ1Х подводных
трубопроводов и коммуникаЯцийЗЛИЧНЬ,Х ПОДВОДНЬ,Х сооружений,
протяженных объектов°ноотлоХпоаППаРаТ°В ДЛЯ обслеДования
о до недавнего времени экспери-
16
ментальный характер, причем в процессе полунатурных (как
правило, мелководных) испытаний отрабатывались варианты
совмещения автономного и дистанционного управления Приме-
рами могут служить AUV "ХР-21" (США), "АЕ-1000" "АЕ-2"
(Япония). Наибольшая трудность при решении задачи обнару-
жения и отслеживания протяженных объектов связана прежде
всего с необходимостью комплексной обработки информации от
различных устройств системы технического зрения (гидро-
локационных и видеоизображений) и придания системе управ-
ления аппарата функций интеллектуального поведения. Из пос-
ледних наиболее успешных разработок в этой области следует
отметить многоцелевой аппарат "ALISTAR" (Франция, ECO),
предназначенный как для инспекции трубопроводов, экологи-
ческого контроля, так и для решения ряда военных задач (проти-
воминной обороны, морской разведки и рекогносцировки).
Другим примером может служить аппарат "GEOSUB", созданный
в Шотландии (Heri-waat University), на котором устанавливается
специальный модуль (Autotracker) для обеспечения функций
обнаружения и отслеживания трубопроводов. Актуальность за-
дачи инспекции трубопроводов неуклонно возрастает, что,
естественно, ставит АНПА в ряд наиболее перспективных
средств для ее решения [53-57].
Так, в работе [54] отмечаются следующие функции АНПА:
• определение положения (подвижки трубопровода):
• обнаружение и измерение провисов;
• обнаружение обнажения трубопровода (толщина за-
сыпки);
• осмотр рельефа дна по сторонам трубопровода;
• обнаружение посторонних предметов (камни);
• проверка состояния утяжеляющего покрытия;
• обнаружение повреждений трубопровода и соединени ,
коррозии;
• оценка состояния катодной антикоррозионной защиты,
• обнаружение утечки транспортируемых веществ (газ,
топливо и др.). ,иПд
Понятно, что для решения перечисленных задач
должен быть оснащен комплексом аппаратуры
измерений и должен обладать способностью найти трубопровод
и сориентироваться относительно него. Для осу , ек_
достаточно сложного маневрирования нео соответ-
tvtпиная" система управления движением АНПА и соответ
ствующее n”ie обеспечение. Указанные вопросы рас-
смотрены более подробно в последующих гл в
17
2 /Хотопомныс
Геологоразведка и картографирование дна
Первые сведения“нсшп" с !юм'
Фотвдузского аппарата "Epaidard" площадной фотосъемки дна с
*пе™ железомарганцевых конкреций в северо-западной
части Тихого океана [17]. Характер выполненных работ являскя
типичным для обзорно-поисковых аппаратов. После предвари-
тельной площадной ГБО-съемкп н батиметрических промеров
осуществляется более детальная фотосъемка дна выборочно пли
с перекрытием кадров п видеосъемка на ходу с расстояния,
позволяющего получить качественные изображения. В процессе
съемки аппарат совершает движение галсами с контрольными
профилями по глубине.
К исследовательским аппаратам для топографической
съемки и картографирования дна можно отнести также норвеж-
ский AUV "NDRE" (Norvegien Defence Research Esteblishment).
Аппарат проектировался на основе новой энерготехнологии как
универсальный дальнодействующий аппарат, предназначенный
для поиска и разведки объектов (в том числе военных), карто-
графирования дна, инспекции трубопроводов, но в процессе
испытаний использовался в основном для отработки аппаратных
средств и методики батиметрической съемки [30]. В течение
1995-1998 гг. были разработаны две модификации аппарата-
"Hugin 1000" и "Hugin 3000". Разработка осуществлялась при
поддержке фирмы Simrad и норвежского центра подводных
технологий, причем по проектам основное назначение аппаратов
состояло в обеспечении нефтеразведки и обслуживании буровых
платформ с рабочими глубинами до 600 м [42; 43]. Оснащение
аппаратов позволяет обследовать трубопроводы с использова-
нием многоканального обзорного локатора. Согласно последним
данным [43] аппараты класса "Hugin" находят самое широкое
применение как в коммерческих работах {"Hugin 3000"), так и в
военных программах ( Hugin 1000") и их можно отнести к наибо-
пРименяемым многоцелевым автономным аппа-
поеп-кяппя^УеТ отметнть’ что Для решения различных задач,
и ооиентопг^ИХ П0ВЫшеннЬ|е требования к точности навигации
самыми совепптИи НЭ местности’ Указанные аппараты оснащены
комплекса позно НЫМИ навигационными средствами, а структура
имеюХТф°оХиРи0оИZe" °бРаб°^ ВСЁЙ
К перспектившим Р д и ориентации в пространстве,
области геодезии и г направлениям использования АНПА в
геодезии и геологоразведки можно отнести исследо-
18
нпя, кроме обычных задач, могут решать задачи геомагнитной и
гравиметрической съемки, акустического профилирован^ дна
съемки геологических разломов и наблюдения за процессами
использования ЦнПаТ”' Пр?К™ЧеСКИЙ °"- Разработки и
использования АНПА в данной области пока еще довольно
беден, и сама постановка задач требует проведения сложных
технических экспериментов. Из автономных аппаратов ориентТ
рованных на решение таких задач, можно отметить AUV "R1”
созданный по совместному проекту Токийского университета и
корпорации Мицуц. Другим примером может служить французс-
кий аппарат "SAMО", предназначенный для долговременных
измерении гидротермальных процессов и биологических иссле-
дований в районах выхода газовых потоков на склонах
подводных гор.
Подледные исследования
Использование АНПА для работы подо льдом накладывает
ряд специфических требований к устройству аппарата, надеж-
ности работы бортовых систем, организации работ в условиях
ледовой базы. К числу наиболее успешных применений АНПА в
данной области следует отнести подледные исследования и
работы по прокладке оптоволоконного кабеля на арктическом
дне, проведенные в 1996 г. с помощью канадского AUV "Theseus".
Разработки канадской компании ISE (International Submarine
Engineering) ориентировались на протяжении многих лет на
исследование Арктического бассейна. Разработанный в конце
80-х годов AUV "ARCS" предназначался для обследования
ледовой обстановки и выполнения гидрографических работ подо
льдом на глубинах до 365 м. В 1993-1995 гг. опыт работы с аппа-
ратом "ARCS" был использован при создании AUV ' Theseus ,
предназначенного для выполнения подледных исследований,
обзорно-поисковых работ и укладки на дно оптического кабеля
на трассах протяженностью более 200 км на глубинах до 450 м.
Испытания аппарата в Арктике [21; 23] продемонстрировали его
высокие эксплуатационные характеристики и, по мнению
разработчиков, очень впечатляющие результаты. Фактически
это первый опыт выполнения с помощью автономных аппаратов
столь сложных работ подо льдом Арктики. Особое значение в
работе аппарата придавалось точности автономного навигацион
ного обеспечения, в котором комплексировались данные и
19
доплеровского лаг. Кроме того
SZ””“nZ™““л““р..ЧРеско"Л Коррекция
движения на прямых участках пути осуществлялась по оптово-
==у кабелю, который укладывался на дно и затем был
принят и соединен с приемной линией в конечной точке.
Работы в полярных широтах в научно-исследовательских
целях и по военным задачам производились также с помощью
других автономных аппаратов, в частности, модернизированного
аппарата "ARCS" и аппаратов "Odyssey 1Г, "Autosub (в Антарк-
тике), "ALTEX' [26; 35; 44; 66]. Примечательной особенностью
указанных аппаратов и выполняемых ими работ является
использование комплекса навигационных средств, содержащего
ИНС с гирокомпасом и акселерометрами, RDI - доплеровский
лаг, приемник GPS и, как обычно, магнитный компас и др.
навигационно-пилотажные измерители. Интегральная обработка
данных на основе фильтра Калмана позволяет значительно
повысить надежность и точность навигационных измерений. Не
прибегая здесь к конкретным оценкам, отметим, что более
детально данные вопросы рассмотрены в гл. 3.
Океанографические исследования,
мониторинг водной среды
Исследовательские океанографические задачи, связанные с
широкомасштабными измерениями параметров среды в водной
толще и вблизи дна, относятся к числу наиболее трудоемких за-
дач, присущих АНПА. Методика проводимых исследований
согласуется с принятыми в океанографии подходами для съемки
физических полей и объективного анализа результатов измере-
ний по Разрезам, опорным профилям и площадям. К преиму-
отене™М АНПА ПРИ выполнении какого рода работ можно
и i лести.
’ четанипНг Сн? ПроВЗВодства прецизионных измерений в со-
• ошаХ,™»'СО точн°стью навигационной привязки;
веоную кТ™ЛаноМерной сети траекторий, дающей досто-
водной среды; У распределения исследуемых характеристик
'=Х2™ВН0Г° мониторинга и документиро-
В настоящее воемя освещения подводной обстановки.
многоцелевых исследоватрпкг ВУ6Т достаточно широкий класс
Для океанографических изм K™ аппаратов> использующихся
Р фических измерений как на шельфе, так и на
20
больших глубинах. Примером может служить создание в США
серии малых аппаратов "Odyssey" (Массачусетский технологи
ческий институт), "Ocean Voyager 2", "Ocean Explorer" (Флорвд-
ский океанографический университет), "REMUS' (ОкеаноЗи-
чеекий институт Woods Hole), совместно применявшихся^ ptje
океанографических экспериментов [36], в том числе по
программе военно-морского океанографического упоавлёния
NAVOCEANO [37; 40]. некого управления
По перспективным проектам предполагается использование
комплекса таких аппаратов для изучения активных придонных
источников (например, гидротермалей), обследования нефтяных
разработок, исследования широкомасштабных океанических
структур, акустической томографии, мониторинга водной среды.
Очевидно, что столь многообразные применения аппарата могут
быть реализованы только при высоком уровне организации всей
системы управления на основе многопроцессорной бортовой вы-
числительной сети и ее способности к реконфигурации при-
менительно к различным задачам.
В первой модификации AUV "Odyssey" был разработан в
1992 г., и в последующем структура аппарата подвергалась неко-
торой частичной реконфигурации, обусловленной характером
тех экспериментов, в которых аппарат участвовал [26; 36].
Весьма интересен опыт разработки и эксплуатации аппаратов
"REMUS' (изготовлено более пятидесяти экземпляров), опи-
санный в работе [34], где автор высказывает немало сентен-
ций и критических замечаний по поводу ошибок, которыми
сопровождаются практические работы в океане. Малый аппарат
"REMUS’ (масса 30—40 кг) представляет собой достаточно уни-
кальный прибор для работы на небольших глубинах (до 150 м)
как самостоятельно, так и в комплексе с другими аппаратами. В
состав аппарата входят система управления с портативным
компьютером, навигационные датчики, ГБО, доплеровский лаг,
датчики СТД. По многочисленным публикациям можно судить,
что аппарат "REMUS' является очень доступным и эффектив-
ным средством для решения исследовательских задач в о ласти
океанографии, а также для ряда военных применений, в
частности, для поиска мин и рекогносцировки местности.
Описанные в работах [36; 40] эксперименты иллюстрируют
возможности комплексного использования нескольких аппар>
тов для изучения приливно-отливных процессов, оке н
глубинной конвекции и ряда других динамичешотх ппакти-
океане. Проведенные исследования являются пеР явто-
ческими работами в области мониторинга с приъ
21
ипмных аппаратов. Вместе с тем руководителями работ отме-
чХя что вследствие пространственной и временной пзмсп-
чается. что вс » боль1Ш,х масштабов этих явлении про-
водимые эксперименты оказываются недостаточными для
поп ’чей >я полной картины исследуемых процессов и их прог-
нозов Фактически актуальной становится задача развертывания
широкомасштабных систем наблюдения и освещения подводной
обстановки и глобального долговременного мониторинга
Глубоководный аппарат "Autosub-Г, разработанный в 1995 г.
Саутгемтонским океанографическим центром, выполнил более
120 погружений, решая различные задачи. Опытная эксплуа-
тация аппарата осуществлялась в 1997 г. вблизи побережья
Флориды (на глубинах от 5 м до 15 м), и задача состояла в
проведении планомерной съемки температурного поля и поля
течений на протяженной трассе в виде меандра. В процессе
съемки отрабатывалась методика проведения подобных работ
при поддержке со стороны Флоридского атлантического универ-
ситета. В последующих работах аппарат выполнил более 120
погружений, решая инженерные задачи и проводя научные
исследования [15; 35].
Исследования и разработки, проводимые Европейским кон-
сорциумом по программе MAST, имели своей целью создание
двух экспериментальных образцов автономного аппарата для
океанографических измерений на глубинах от 600 до 1000
метров. AUV "MARIUS" и "MARTIN" созданы на основе одной
технологии, причем владельцем аппарата "MARIUS" является
Португальский высший технический институт, а аппарата
"MARTIN" - Датский технический университет. В создании аппа-
рата участвовала также французская фирма IFREMER, имеющая
опыт разработки AUV "Epaulard". В системах энергоснабжения,
навигации и управления использованы в основном элементы
готовой продукции и достаточно хорошо отработанные струк-
В состав исследовательского оборудования вхо-
щая випеокя 0К0В0Г0 ^ора, донный профилограф, сканирую-
ХоаммноГпеРг’ ДаТЧИКИ СТД' Оообенностью структуры и
является исполю вспечения бортовой компьютерной системы
является использование методов нечеткого управления
получила^ пХНИЯЛС/У’ ПрИНЯТая в европейских странах,
паний STN ATLAS E/J^ U с°аместнь,х проектах известных ком-
На основе концеп^^
являются модульносп мнлг’ рактеРнь,ми Свойствами которой
щенности, в течение плгп озаДачность, высокий уровень осна-
течение последних лет был разработан и реализован
22
Аппарат '"М^ КЛасса (66J.
широких применений в океанографии, комме'рческиГработаТи в
военных целях. Примером его клммл„.,о раоотах и в
могут служить работы по заказу фирмы De вТе^ Х^ьшол”
ненныс у берегов Намибии в Южной Африке. Широко постав’
ленная реклама данных разработок и реальные успехи посо-
лили создателям системы выработать стратегию развития на
десятилетие вперед. и^иихия на
Экологические исследования
Экологический мониторинг водных акваторий предполагает
измерение гидробиологических, гидрохимических и гидрофизи-
ческих параметров среды с последующим картографированием
данных.
Наиболее эффективно подводные роботы могут быть ис-
пользованы для экологического мониторинга водной среды в
придонных слоях, включая оценку гидрохимического состояния
воды по параметрам, определяемым с помощью датчиков, и
характеризующим состояние экосистемы: содержание кисло-
рода, соленость, pH, температуру, электропроводность, мут-
ность воды, концентрацию хлорофилла. Параллельно для кон-
троля и расширения круга исследуемых параметров спе-
циальными кассетными пробоотборниками берутся пробы воды
и грунта и исследуются в лабораторных условиях. Для оценки
качественного состояния и плотности поселения макробентоса
проводится экспертный анализ биоты по фотографиям и
видеосъемкам дна. Затем проводится анализ и картографи-
рование полученных данных в геоин-формационной системе по
всей акватории.
В толще воды с помощью подводных аппаратов можно
проводить работы, связанные, прежде всего, с оценкой мутности,
освещенности и содержания кислорода для расчета продук-
ционных возможностей планктонных сообществ. Для этих же
целей проводится оценка плотности мпкроводорослеи на едини-
цу объема и содержания хлорофилла. Полученные данные
позволяют рассчитать первичную продукцию.
Следует отметить, что выбор параметров, которые необхо-
димо оценивать для исследования экологического состояния
бносистем и мониторинга вод, зависит, с одной стороны, от нали
чия и возможностей использования различных датчиков в
кретных условиях, а с другой стороны, тем минимальным
23
х’пппк'трппзоВсГГЬ состояние око-
^^Р^о^ХемыТпрогнозпровать ее Функцпопирова-
™е Кроме того, важно „спользованпе комбинированных пс-
следованшУ на определенных полигонах с применением традц-
Ш.ОННЫХ пдробпологпчеекпх, гидрохимических, гпдрофп-
зпческпх исследовании и с применением подводных технических
спедств Это позволяет количественно исследовать взаимосвязи
между экологическими параметрами и биотоп на характер-
ных полигонах и затем распространять полученную с помощью
подводных роботов информацию на всю исследуемую аква-
торию с учетом биологических взаимосвязей и характеристик
грунта.
В зависимости от задач исследования подводный аппарат
может быть проблемно ориентированным и оснащен различ-
ными системами датчиков для измерения параметров среды и
видеокамерой с изменяемым углом зрения.
В настоящее время имеется достаточно богатый опыт ре-
шения экологических задач с использованием комплекса спе-
циальных измерителей, устанавливаемых на подводных носи-
телях и стационарных платформах. Так, в программе Autosub
Science Missions, проводимой в 1999-2001 гг. был использован
AUV "Autosub", оснащенный набором измерителей CTD и свето-
вого потока, а также некоторыми другими специальными изме-
рителями для определения концентрации растворенных в воде
химических элементов (марганца, метана) [60]. Другим примером
системы, способной выполнять сбор данных для оценки
параметров морской среды, может служить система M.IM.IR EV1,
разработанная компанией Qineti Q [61]. Система построена путем
интеграции нескольких модулей, данные между которыми могут
передаваться по стандартной телекоммуникационной техноло-
гии. Основу системы составляет небольшой автономный аппа-
рат способный работать на глубинах до 60 м. Он оснащен бати-
датчРикаемиИМ С°Наром’ гиДРолокатором секторного обзора,
ются xZ ”ССК0Г0/0СТаВа И видеокамерами. Также име-
глубиныисо дна моря.С °РЗ ДЗ"НЬ'Х " ПР°б С П0ВсРхн°сти, с
В себя множество nnofiZ ЯВляется 0ХРана портов, включающая
ния акваторий портов. В ч^стн°НТР0ЛЮ экологического состоя-
загрязнений создаваема ости> это проблема обнаружения
Служба Coast Guard (СШлТппепп" ПОртовЬ1ми сооружениями.
Цели АНПА, способней и. РеДлагает использовать для этой
в районе загрязнения с пом^НЯ1\3аДаННуЮ пР0ГРамму поиска
щью бортового химического ана-
24
ствующее обвинение. Важным аспектом здесь является фактоо
скрытности, т.е. никто не видит как аппарат берет проб^КГ
Аппарат должен обладать достаточно большой автономностью
при этом предполагается запускать его с базовой станции и
направлять для патрулирования порта с целью определения
химических аномалий. уделения
АНПА военного назначения
Практически все обзорно-поисковые, обследовательские и
научно-исследовательские задачи, решаемые с помощью АНПА,
могут быть так или иначе использованы в военных целях. Как
показывает анализ, в создании специальных военных АНПА в
настоящее время можно выделить следующие направления:
• создание аппаратов большого радиуса действия;
• создание аппаратов и их систем для патрулирования и ин-
спекции подводных объектов, постановки мин и противо-
минной обороны;
• создание систем наблюдения и освещения подводной обста-
новки на основе малогабаритных платформ и аппаратов.
По данным зарубежных публикаций в разработке концепции
АНПА большого радиуса действия (до 1000 миль) участвуют
многие крупные ведомства: NASA, DARPA {Defence Advance
Researh Projects Agency), ВМФ, ВВС и Национальное бюро
стандартов США. Принятая в начале 80-х годов программа
MAUV {Multiple Autonomous Underwater Vehicle) была ориентиро-
вана на создание AUV для совместных действий с подводными
лодками, радиоэлектронной разведки, обеспечения противомин-
ных работ. В рамках программы MAUV при поддержке управ-
ления DARPA в конце 80-х годов разрабатывались два проекта -
SHARS и MUST. Для оценки возможностей проекта SHARS
{Submarine with Hierarhiel Autonomous Realtime System) лабора-
торией морских систем Нью-Хемпширского университета оыли
разработаны два образца многоцелевого автономного аппарата
"EAVE" {Experimental Autonomous Vehicle-East), в системе управ-
ления которого были реализованы HeK°J°P^ie
искусственного интеллекта. По проекту MUST{ о i t
System Test) по заказу фирмы Martin-Marietta фирмой К
{Applied Remote Technology) был разработан аппарат для обе.
дования военных объектов, противолодочной о оро ‘ '
заграждений. Аппарат должен был иметь модульное с
25
позволяющее изменять массо-габаритные характеристики „
руководством ВМФ
США была принята программа UUV {Unmanned Undetnate,
Wcle) в которой рассматривались возможности создай,,,,
боевых аппаратов для оснащения ими подводных лодок (ПЛ).
При участии ряда ведущих фирм США осуществляются.проект ь,
MARS {MultimisstonAUV Prototype System), Patb/mder. SCOUT. реа-
лизация которых планируется на начало 2000 г. Одним из
возможных прототипов для аппаратов подобного назначения
служит .4 UV "ХР-21".
ВМФ США придает приоритетное значение созданию систем
освещения подводной обстановки на основе малогабаритных
аппаратов и платформ, базирующихся на ПЛ. Пространственная
сеть таких аппаратов может обеспечить наблюдение за прохож-
дением подводных лодок в Арктике, а также выполнение других
разведывательных и патрульных задач. Проектом SMSP {Small
Mobil Sensors Platform) планируется создание серийных аппара-
тов, эксплуатируемых с ПЛ и способных ориентироваться по
топографическим особенностям рельефа дна. Основой системы
наблюдения служат гидроакустический комплекс и магнитомет-
рическая аппаратура для обнаружения и идентификации ПЛ по
шумам гребных винтов, магнитным аномалиям и другим
сигналам.
Как отмечается в работе [39], рядом других программ США и
Великобритании, в том числе SOMSS {Submarine off Board Mine
Searh System), SAUV {Semi Autonomous Undersee Vehicle), SPUR
{Scicon’s Patrolling Underwater Robot) планируется также создание
боевых и патрульных аппаратов с применением новейших
созМпаЬнТРНЫХ " энеРготехноЛогнй. Характерно, что вопросам
специальные СП°ЛЬ30ВаНИЯ AUV В В°“ Челях посвящены
Циях "ОСеОн-2007И'О;ееаЗ К0НфбреН-
Повышение автономности
Робота является ода^йиТнмболеё^”06 Раб°ТЬ1 подводного
нении широкого круга работ кпД- -^HbIX Задач ПРИ выпол-
РУга работ, краткий обзор которых приведен
26
выше. Отметим некоторые особенности создания и использова-
ния средств энергообеспечения и подводной навигации, принимая
во внимание тенденции развития аппаратов, их технологию и
осооенности применения в конкретных работах.
Энергетика. По массе и размерам можно подразделить
аппараты на большие", "средние" и "малые". Такое разделение
отвечает в определенной мере назначению аппаратов, особен-
ностям их конструкции и, очевидно, затратам на изготовление и
эксплуатацию. Размеры и масса аппарата определяются в
основном типом энергетической и движительиой систем, выбор
которых определяется, в свою очередь, автономностью аппарата
И энергопотреблением, приходящимся главным образом на
сообщение движения и частично на работу аппаратуры. Сущест-
вуют определенные соотношения, связывающие массу, энергети-
ческие и ходовые характеристики аппарата. Основное соотно-
шение выглядит в конечном виде следующим образом:
D = nVl/3(Cy)-|Kll^(l-p„K/p),
где:
D - дальность хода, V - объем (водоизмещение), v- скорость
движения,
С, - коэффициент лобового сопротивления корпуса,
р = 1000 кг/м3 - плотность воды, рпк = mnK/V„K- средняя
плотность прочного корпуса как отношение его массы /ппк к
объему VnK,
е = Е/тт- удельная энергия, равная отношению полной
энергии Е к массе т„3 источника энергии, К„3 = Vll3/V-
коэффициент, определяющий долю объема источника энер-
гии Уиэ в общем объеме, Г| - совместный КПД двигателя и
движителя.
Заметим, что при прочих равных условиях, как следует из
выражения, водоизмещение аппарата оказывается пропорцио
нальным третьей степени дальности. Приведенное соотношение
дает возможность оценивать на стадии проектирования все
интересующие нас предельные и рабочие параметры, ак, -
аппарата, у которого система движения представляет
электродвигатели с гребными винтами, а источнико.
являются серебряно-цинковые аккумуляторы х ож
следующую оценку: D = 48 • 10* • Vю (0,8 - 0,83 10- J '
В частности, для "большого" или "среднего аппарата при рабо-
чей глубине погружения Н = 6000 м для достижения макси
27
,„пй пальности хода масса источников энергии должна сос-
массы всего аппарата. На практике энсргетпчсс-
киететановкп, используемые на аппаратах, отличаются некото-
рым разнообразием. в котором можно проследить определенную
дань традициям. В большинстве разработок доминируют энерго-
Хновки на основе аккумуляторных батарей позволяющих в
принципе обеспечить дальность хода до 300-400 км при умерен-
ных массах и габаритах. Увеличение дальности хода дается, как
плавило, довольно дорогой ценой. Так, в канадском аппарате
"Theseus" где с помощью батареи серебряно-цинковых аккуму-
ляторов энергоемкостью 350 кВтч обеспечивается дальность
действия 260 км при скорости хода до 2 м/с, масса самого аппа-
рата составляет почти 9000 кг [21-23]. Правда, определенный
вклад в это вносит устройство для размещения оптоволоконного
кабеля и компенсации плавучести при его укладке на дно.
Иное решение для "большого" аппарата было принято в
японском проекте "R1" (масса 4000 кг), в котором первоначально
использовалась энергоустановка дизельного типа мощностью
5 кВт и энергоемкостью 60 кВтч. По проекту это должно
обеспечивать 24 часа автономной работы при скорости до
1,8 м/с. В другом японском аппарате "EXT - "Urashima" (масса
7500 кг) использованы полимерные электролитические топлив-
ные элементы (PEFC) мощностью 4 кВт и литий-йонные под-
заряжаемые батареи емкостью 300 Ач.
Для большинства же "средних" аппаратов с источником
энергии, обеспечивающим длительность работы (10-20) часов,
масса блока аккумуляторных батарей составляет (3-6)% от об-
щей массы аппарата, и дальность хода ограничивается величиной
(30-70) км.
Подводная навигация. Приведем некоторые наиболее харак-
попвппенС®еДеНИЯ заРУбежной печати об использовании средств
статье Гб71НаВИГаЦИИ ПрИ рабоТе с АНПА (AUV^ В частности, в
фактор к^честТеХТпТ^п™4™ РассматРивастся как ключевой
в статье нГибол. пшя ВЫПолнения миссий А [/V. Как отмечается
ратов, оснащенный н^™ В КОММеРче«ом применении аппа-
следующимикомпаниями:ГаЦИ°ННЬ1МИ средствами- Достигнуты
ководных^миссий ^Мексик^ск ,ППа ПРИ Проведении глУб°-
Wn", разпаботаниЛ К°М 3аЛИВе с помощью A UV
Норвегия; Р построенного Kongsberg Simrad,
• Bluefin Robotics пса /-
OW Thales Sun ey иК ня3Ра®аТываЮщая два AUV "Oracle"
y' u.tc, на глубину до 3000 м;
28
'ф^^
дующий "М600" полжри 1 ДЛЯ поиска алмазов. Сле-
ДкУанс± зХ EX™ :Z7oatT°Те В МеКСИ’
line Suveys для BP/Shell в Северном море’Тьш^ком^и'
нированное геофизическое и геотехническое обследование
объединение Boeing Company, Fugro GeoServces Inc Ocea-
neenng International Inc., которое готовит "большой" AUV
оснащенный ГБО, профилографом, многолучевым гидро-
локатором и телевизионной системой.
Все аппараты оснащаются навигационными комплексами в
которых информация отдельных подсистем интегрируется с
целью повышения надежности и точности навигации Так на
аппарате "Hugin" фирмы С&С используется инерциальная нави-
гационная система (IPS) на оптоволоконных гироскопах, которая
интегрирована с доплеровским лагом /?£) Instruments, датчиком
глубины, датчиком высоты и акустической системой с ультра-
короткой базой (USBL) фирмы Konsberg Simrad. В качестве
другого примера можно привести интегрированную навигацион-
ную систему канадского аппарата "Theseus", использовавшегося
при прокладке оптоволоконного кабеля на арктическом дне.
В данной навигационной системе использованы ИНС Honoywell
MAPS и доплеровский лаг EDO 3050 DSVS, что обеспечивает
величину ошибки счисления не более 1% от пройденного пути.
Фирма Maridan вместе с Датским техническим университетом
и Kearfott Guidance and Navigation Corporation, США разработала
систему Marpos для установки на борт AUV. Marpos- это ком-
плексированная доплер-инерциальная система, ядром которой
является высокоточная бесплатформенная инерциальная навига-
ционная система KN5053 с лазерными гироскопами, разработан-
ная компанией Kearfott. ИНС корректируется данными доплеров-
ского лага RDI, который измеряет скорость аппарата над грун-
том или относительно воды, а для поверхностной навигации
используется приемник DGPS. Для обработки информации в
реальном времени используется фильтр Калмана, в котором ин
тегрируются измерения датчиков угловой скорости и акселе
рометров для определения точного положения и ор ен
Система Marpos определяет относительное "f™™'
начальной точки путем счисления пути, орские
аппарата М600 фирмы Maridan показали точност £ эквива-
положения около 0,03% от пройденного расстоя , а
лентно накоплению ошибки 1,7 м/час при скор
29
. Ппя глубоководного применения фирма M.ni-
1.5 м/с (три узла). Дл . получившую название "снп-
dan разработала новуютемЬ1’' (SLBLAPS), которая псполь-
тетпческой длинно а место распространенной полной LHL
2? XoZ’AW способен очень точно держать прямую лп-
‘нию с помощью системы Marpos. он может опрашивать маяк-о .-
вётчик ИЗ разных положений и, таким образом^ рассчитывать
ёвою позицию по серии импульсных отсчетов. Система Marpos
использовалась в реальной работе при распознавании мин для
датского ВМФ. Обследование проводилось аппаратом Mandan
150 рекогносцировочное положение целей определялось гидро-
локатором бокового обзора SeaKing (675 кГц) фирмы Tritech
International.
Аналогичная идеология использована при разработке аппа-
рата Oracle фирмы Thales-Bluefin, на котором основу навигации
составляет система Litton LN-250 MIMU, состоящая из трех
волоконно-оптических гироскопов и трех акселерометров, уста-
новленных на инерциальном блоке. Кроме того в состав
навигационной системы входят: цифровой кварцевый датчик
давления (глубины), акустическая система позиционирования с
ультракороткой базой, доплеровский лаг с частотой 600 кГц.
Навигационная система аппаратов фирм Boeing/Fugro/Ocea-
neering основана на полной интеграции всех имеющихся датчи-
ков, включая IPS, доплеровский лаг, датчик высоты, датчик
глубины, системы с длинной и ультракороткой базами. Для
комплексирования данных используется цифровой фильтр Кал-
мана, входами которого являются крен, дифферент, курс, ско-
рость и ускорение аппарата, высота над дном, глубина, дальности
до маяков-ответчиков и данные USBL.
Как отмечается в работе [67], одним из самых совершенных
устройств, входящих в состав всех интегральных систем, являет-
ся доплеровский абсолютный лаг, производимый фирмой RD
SmФИРМЭ У^тановила свои лаги "Workhorse" на более,
тапаЯОУ Р0В0Г° ФЛ°Та AUV “ б°Лее’ чем на 100 аппаратах
rnvEAu«lLC03flAHk,A И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЛВ БИПМТ поаЬ1Х АППАРАТОВ И ИХ СИСТЕМ
ДО гл9кпиаАПа от ПЕРВЫХ макетов
ДО ГЛУБОКОВОДНЫХ комплексов
НИЯ автономных подводны^поб1 практического использова-
показателен как пример решения Т°В И ИХ систем Достаточно
ример решения научно-технической пробле-
30
1.16ОГЫ 13 данной Области были начаты в 1972 г в табо
раторни систем управления и навигации Института автоматики и
процессов управления (ИАПУ) Дальневосточного научного
центра АН СССР. В 1988 г. на базе отдела экспериментальных
исследовании и подводно-конструкторских работ ИАПУ был
пРрАНрды Н Институт проблем морских технологий (ИПМТ)
Д О РАН, основным направлением деятельности которого в
области изучения и освоения океана стала подводная робото-
техника. За тридцатилетний период в Институте на основе
модульной технологии проектирования подводно-технических
средств было внедрено в практику более 10 типов необитаемых
подводных аппаратов, предназначенных для работы в океане,
подо льдом, на Шельфе и в протяженных водоводах. Каждый из
типов представляет собой комплекс судовой (береговой) и
погружаемой аппаратуры, включающей автономный аппарат
как самоходный управляемый носитель исследовательских
приборов и целевого оборудования. Основные разработки
ИПМТ ДВО РАН представлены в табл. 1.2.
Отметим некоторые особенности этого достаточно уникаль-
ного опыта. На первом этапе работ проводились поисковые
научные исследования и разработки, которые имели своей
целью создание автономных автоматических аппаратов, играю-
щих роль носителей различной океанографической аппаратуры
для сбора и накопления информации о внешней среде. Поста-
новка проблемы выглядела довольно перспективной, однако
опыт (и мировой в том числе) был настолько беден, что вначале
можно было говорить лишь о разработке простейших аппаратов
для шельфовых глубин.
В отношении технологии погружных систем ориентиром
могли служить обитаемые аппараты, хотя с самого начала было
понятно, что для АНПА необходима разработка своей ориги-
нальной концепции, удовлетворяющей целому ряду противо-
речивых требований. Аналогично, для решения задач управле
ния и навигации могли быть использованы прототипы из
смежных областей, однако и здесь надо было учитывать многие
особенности, присущие АНПА как объекту, совершающему
заданные действия в сложной среде. Таким образом, уже
первом этапе научно-исследовательской работы в Рамкап
бюджетного финансирования необходимо оыло вып
немалый объем экспериментальных прораооток по р Р
ванию, изготовлению и испытанию макетного ооразц
31
Таблица 1.2. Основные АНПА, созданные п ИПМТ ДВО РАН
1 Название аппарата, год создания Технические характеристики м/с J Автономность, часы
размеры, м | масса, кг | глубина, м | Скорость.
I "Скат", 1974 2,2 0,96 • 0,68 400 300 1,0 4,0
1 "Скат-гео", 1976 2,26 0,96 • 0,68 450 300 1,0 6,0
"Л-Г’, '’Л-2’', 1980 4,30 1,2- 1,2 1140 1180 2000 6000 1,0 6,0
"МТ-88", 1988 3,81 1,12 • 1,19 1150 6000 1,0 6,0
"Тифлонус", 1990 3,50 0,80 0,80 750 2000 2,0 35,0
"МТ-ГЕО", 1990 3,70- 1,12 1,30 960 6000 1,0 6,0
"Р-1", "Р-2", 1992 3,70- 1,12 • 1,30 960 6000 1,0 6,0
"TSL",1994 3,03 • 0,64 • 0,64 320 300 1,25 8,0
"CR-01", 1995 "CR-02", 2001 4,14 0,80 0,93 4,42 • 0,80 0,93 1300 1470 6000 1,5 10,0
"ОКРО-бООО", 1997 3,94 • 0,70 • 0,88 975 6000 1,5 8,0
"САНПА”, 1998 1,80 0,73 -0,31 90 1000 0,8 не ограничена
"МТ-98", 1998 4,22- 1,22 • 1,32 1070 6000 1,0 10,0
"i;S=S=~===
вблизи дна. Аппарат имел катамаранную конструкцию, причем в
первом прочном контейнере размещались блоки аппаратуры
управления, а второй контейнер был предназначеи для разме-
щения источника питания и информационно-измерительных
устройств. Кроме того, значительная часть устройств (гидро-
акустические антенны, световой и радиомаяки, устройства
фотографической системы и др.) располагалась вне корпуса
аппарата в индивидуальном исполнении, что впоследствии и
привело к идее модульной технологии. Все это в комплексе,
несмотря на очевидное несовершенство аппаратуры, позволяло
производить отработку систем аппарата, способов управления и
навигации, динамических свойств и методики эксперимента.
Испытания аппарата в районе залива Петра Великого произ-
водились с обеспечивающего судна "Валдай" - бывшего рыбо-
ловного сейнера водоизмещением 300 тонн, переоборудованного
под работы с АНПА.
Особый интерес представлял первый опытный эксперимент
по практическому использованию аппарата "Скат" для гидро-
химической съемки на озере Байкал вблизи района сброса
промышленных стоков бумажно-целлюлозного комбината.
Работа проводилась летом 1974 г. совместно с лимнологическим
институтом и Институтом неорганической химии СО АН СССР,
а для ее обеспечения использовалось научно-исследовательское
судно "Ю.Г. Верещагин". Результаты проведенного эксперимента
дали весьма полезный материал для модернизации аппарата,
методики проведения подобных работ и позволили также
сделать некоторые объективные выводы относительно экологи-
ческого состояния вод Байкала, примыкающих к комбинату.
В течение 1975-1978 гг. по заказу ЦНИИГАпК осуществля-
лась разработка аппарата "Скат-гео" (рис. 1.1), предназначав-
шегося для выполнения геодезических измерений и фотосъемки
морского дна на шельфе. Использование АНПА для произ
водства подобных работ, в особенности, для морской гравимет
рии, представлялось весьма перспективным. Предварительные
оценки показывали, что с помощью АНПА можно усовершен
ствовать не только сложившуюся методику таких измерени
борта судов и подводных лодок, но и, что немаловажно повы-
сить точность гравиметрических измерений. Сам р
3 Автономные
33
Рис. 1.1. АНПА "Скат-гео"
служить стабилизированной платформой для установки
высокоточных гравиметров, разработкой которых занимались в
ЦНИИГАиК. Заключительные испытания аппарата "Скат-гео
состоялись летом 1978 г. на геодезическом полигоне в Канда-
лакшской губе Белого моря. Испытания показали работо-
способность систем аппарата и подтвердили все его заданные
параметры, необходимые для выполнения геодезических изме-
рений. Впоследствии аппарат находился в пользовании заказ-
чика, после чего был передан ИАПУ для модернизации. В 1991 —
1992 гг. после реконструкции он использовался совместно с
привязным телеуправляемым аппаратом "Макс-2" для обследо-
вания запасов марикультуры на Тихоокеанском побережье
Дальнего Востока.
Практический опыт, полученный при разработке и испы-
таниях первых образцов АНПА, оказался весьма полезным для
понимания общей концепции подводных аппаратов и перехода к
технологии, позволившей осуществить "скачок в глубину".
Первые модульные глубоководные аппараты "Л-1" и "Л-2",
разработка которых началась в 1976 г. по договору с Главным
управлением навигации и океанографии (ГУНиО) были рассчи-
таны соответственно на глубины 2000 и 6000 м. Следует особо
отметить важную роль ГУНиО в деле развития АНПА, которая
34
нс ограничивалась финансовой поддержкой, но придавала этим
УЛПРСТВСИНУЮ ВаЖН0СТЬ И пРактическую направ
Основным достижением этого этапа работ явилось внедре-
ние модульной технологии, заключающейся в унификации
конструктивных и функциональных элементов бортовых систем
использовании ограниченной номенклатуры стандартных
устройств и узлов, преемственности при осуществлении различ-
ных модификаций структуры [2-4]. Вместе с тем в самой
структуре преобладали элементы "самодельной" разработки
поскольку применение серийной аппаратуры было, как правило’
невозможно из-за неприемлемых масс, габаритов и энерго-
потребления. Кроме того, необходимая серийная продукция
порой вообще отсутствовала, а комплектующие изделия были
доступны только в виде недостаточно совершенных и дорого-
стоящих экспериментальных образцов. Основу бортовой струк-
туры составляли: система центрального программного управле-
ния с контрольно-аварийной подсистемой, система управления
движением, информационно-измерительная система, элементы
гидроакустической навигационной системы (ГАНС), источники
питания. Информационная связь систем обеспечивалась на
основе общей бортовой магистрали и разветвленного интер-
фейса. В задание входила разработка двух экспериментальных
образцов АНПА, причем предполагалось, что аппарат "Л-1"
будет служить для отработки новых систем и структур, а аппарат
"Л-2" должен быть рабочим аппаратом, пригодным для решения
практических задач в океане. Для выполнения обзорно-
поисковых и обследовательских работ для аппарата "Л-2" были
разработаны гидролокатор бокового обзора (ГБО), фотосис-
тема, магнитометр, радиометр и датчики среды (СТД). В состав
судового оборудования входили устройства ГАНС с постом
управления, а также устройства и механизмы для обслуживания
аппарата и выполнения спуско-подъемных операций.
Первые испытания аппарата "Л-1" были проведены осенью
1979 г. в бухте "Витязь" залива Петра Великого. Экспедицион-
ный отряд базировался на гидрографическом судне (ГС) * на
дырь"; в задачу испытаний входили проверка работоспособности
систем аппарата и уточнение некоторых технологических пара
метров. Испытания продолжились по полной nporpaMiv е
ГС "Север" летом 1980 г. и были посвящены, в основном лотра-
ботке элементов системы управления, оценке харак J-P
ГАНС, отработке методики фотографирования дна с У-
ными осветителями. В целом это была первая проверка ф
35
Рис. 1.2. АНПА "Л-2" во время испытании в
тивности модульной технологии, реализованной в АНПА.
Морские испытания аппарата "Л-2’1 осуществлялись осенью того
же года в Филиппинском море на глубинах до 6000 м с борта
ОИС "Федор Литке" (рис. 1.2).
В программе испытаний основное внимание уделялось
отработке методики глубоководных погружений и оценке
работоспособности систем при осуществлении основных рабочих
режимов движения. В течение пятидесяти дней испытаний
аппарата в южных широтах были получены результаты, позво-
лившие завершить работу над созданием первых глубоководных
АНПА и перейти к следующему этапу - созданию глубоко-
водного поискового робототехнического комплекса.
Помимо собственно АНПА, оборудованного штатным
комплексом бортовых систем, шла речь о создании модульного
буксируемого аппарата и всей необходимой аппаратуры для
технического обеспечения системы гидроакустической нави-
гации.
Буксируемый аппарат предназначался для предварительного
обследования больших участков морского дна. Для этого на нем
ыла установлена поисковая аппаратура, включающая гидро-
локатор бокового обзора с шириной полосы обзора 1500 м,
магнитометр, радиометр и передатчик ГАНС. Стабилизация
36
аппарата при буксировке осуществлялась за счет его гидпОдина
мики и выбранного способа буксировки, а маневрирование
производилось путем изменения скорости движения судна и
длины кабель-ipoca В состав оборудования ГАНС входили
судовой навигационный вычислитель, приемо-передающий блок
донные маяки-0 гветчики и приемо-передатчик на аппарате
Модульная архитектура, реализованная в конструкции "Л-2"
открыла широкие возможности для функциональной унифика-
ции бортовых систем. Разработанная оригинальная технология
компоновки, сборки и монтажа бортовой аппаратуры являлась
существенным достижением в области подводной робототехники
и обеспечивала надежное функционирование аппарата при
выполнении практических работ. Одним из важных достоинств
разработанного технического комплекса явилось то, что для его
размещения и обслуживания не требовалось специальное пере-
оборудование гидрографического судна среднего класса.
Плодотворное сотрудничество с ГУНиО, длившееся более
10 лет, позволило разработкам Института выйти на уровень
мировых достижений в области создания и использования
АНПА. Для сравнения можно привести автономный аппарат
"Spaniard", созданный! в 1979 г. во Франции в целях выполнения
геологической разведки на глубинах до 4000 м. По своим
принципам этот наиболее совершенный в то время аппарат был
подобен ''Л-2", но уступал ему по некоторым параметрам,
функциональным возможностям и опыту практического исполь-
зования. Также немаловажно, что этот опыт сотрудничества
давал достаточно богатый материал для совершенствования
технологии систем и решения новых задач. К числу наиболее
важных из таких задач можно было отнести увеличение
автономности и дальности хода АНПА при выполнении раз-
личных океанографических исследований, в том числе и в
условиях работы подо льдом. Договором, заключенным с
ГУНиО в 1986 г., предусматривалась разработка макетного
образца аппарата, предназначенного для проведения батиметри-
ческой съемки, гравиметрических измерений, измерении
фазовой структуры акустических полей и флуктуаци течен
как в открытом океане, так и при эксплуатации с ледово азы.
Специфика работ определила особые требования к аппара-
ту - минимум сопротивления и энергопотреолеиия, n а
"живучести" при возникновении нештатных ситуац •
требования отразились в конструкции аппарата и
его внутренней структуры. Для минимизации
ческого сопротивления аппарату была придана уд
37
форма а легкий корпус был изготовлен в виде стсклоил.кп,-
?ОВРОЙ оболочки с профильными обводами. Кроме того, вмссю
традиционной схемы двпжительного комплекса с четырьмя
кормовыми гребными движителями был использован один мар-
шевый поворотный движитель с приводом, позволяющим пово-
рачивать хвостовую часть со стабилизаторами в двух плоскостях
В структуре аппарата, содержащей микропроцессорные
элементы, впервые были заложены принципы, позволяющие
осуществлять реконфигурацию бортовой локальной вычисли-
тельной сети и информационного обмена между системными
блоками. Поскольку предполагалась эксплуатация аппарата с
ледовой базы, были проведены исследования, конструкторские
проработки и натурные эксперименты, цель которых состояла в
проверке возможности осуществления "подледной" навигации и
приведения аппарата по сигналам акустического и электро-
магнитного маяков. Однако, работы в этом направлении были
сокращены вследствие того, что финансирование договора
вначале уменьшилось, а затем и совсем прекратилось. В даль-
нейшем макет аппарата был модифицирован н на его основе был
создан аппарат "Тифлонус", служивший для отработки новых
систем и проведения ряда прецизионных акустических и
гравиметрических измерений.
Первые глубоководные аппараты стали прототипами после-
дующих разработок, в основу которых была положена модуль-
ная технология. В процессе этих разработок были созданы:
• два АНПА для МТУ МО СССР;
• АНПА МТ-88 для разведки и оценки запасов железомар-
ганцевых конкреций; испытывался в Тихом океане;
• CR-01, CR-02 - по контракту с Академией наук КНР;
• ОКРО-бООО - по контракту с корпорацией Daewoo, респуб-
лика Корея, прошел испытания н опытную эксплуатацию
ПЯ 'НПА "Мт‘88"(рис- 13а’ б> относится к числу первых аппа-
нолоВгияКб°ылаЬпеКОНСТРУКТНВНО'ФуНК^ИОНаЛЬНая ^°^льная тех-
5оГв nl реализована в достаточно полной мере [2- 5- 49-
унифик.Х’6^’“"“""" бь,ли пр„,ц„пи
вень в двухуровневой :тру’кТуре управдення°On6™ УР°‘
можность коооектиплпатк ЛР У равлення- Оператор имел воз-
ее вьшолненТпод воПОЙ - УЮ "рогра™У на любом этапе
ния под водой, используя команды телеуправления,
38
Рис 1.3а. АНПА "МТ-88” во время морских испытании (1989 г.)
39
передаваемые на одной из частот длиннобазовой гидро-
акустической навигационной системы (ГАНС). В состав ис-
следовательского оборудования аппарата вошли видеосисте-
ма, фотокамера емкостью 3000 кадров, гидролокатор боко-
вого обзора с магнитным накопителем и гидрофизические
датчики.
Первые отладочные испытания "МТ-88" осуществлялись
летом 1988 г. в заливе Петра Великого Японского моря с борта
арендованного судна "Кассис" и весной 1989 г. - с академичес-
кого научно-исследовательского судна "Базальт".
Глубоководные испытания "МТ-88" состоялись в Тихом
океане летом 1989 г. во время очередного полугодового рейса
научно-исследовательского судна ’Теолог Петр Антропов" про-
изводственного объединения "Дальморгеология" [13]. Они
были совмещены с опытно-производственными работами по
детальному обследованию отдельных участков дна в районе с
залежами железомарганцевых конкреций. Работы проводились в
районе разлома Кларион-Клиппертон на выбранном участке
12,5 х 20 км с различными геоморфологическими структурами и
перепадами глубин от 4200 до 4600 м. Было проведено гидро-
акустическое, фото- и видеопрофилирование дна с помощью
40
АНПА, отработаны метолическир nr,,,,.
описание эксперимента см. в гл 7) МЫ Ра®ОТЬ| Подробное
В 1991 г. ИПМТ ПВО РАН бып
Шеньянским институтом автоматики XXZyX^aX
совместную разработку АНПА "CR-0J" (пис 1 а, „
;=^ИЙСК°‘КИТаЙСКОМУ С°™-еству в о'бл “орХ
АНПА CR-01 предназначен для океанографических
исследовании и обследования запасов глубоководных полезных
ископаемых на глубинах до 6000 м. Поэтому стандартный наб™
исследовательского оборудования, включающий гидрофизичес
кие датчики, гидролокатор бокового обзора, видеосистему и
фотокамеру, дополнен акустическим профилографом, способ-
ным просвечивать" донные отложения в глубину до 50 м и
определять структуру осадочных пород. Аппарат успешно
прошел сдаточные испытания в Тихом океане, которые состоя-
лись в конце лета 1995 г., а в мае-июне 1997 г. использовался в
опытно-методических работах в глубоководном районе Тихого
океана, богатом железомарганцевыми конкрециями. В рамках
последующего проекта был создан АНПА "CR-02", по своей
структуре аналогичный аппарату "CR-01".
В АНПА "CR-ОГ и "CR-02" система управления движением,
навигации, связи, измерения и регистрации параметров среды
представляет собой бортовую локальную вычислительную сеть
из двух ЭВМ фирмы WinSystems, расположенных в блоках авто-
пилота и управляющего компьютера. Для информационного об-
мена между судовым компьютером и автопилотом используется
канал Bitbus. Одноплатная ЭВМ автопилота реализована на
процессоре i80386. Управляющий компьютер на базе процессора
V-40 имеет контроллер телеуправления для приема команд,
которые при необходимости коррекции рабочей программы
АНПА передаются с судна по акустическому каналу. Информа-
ционная связь управляющего компьютера с автопилотом осуще-
ствляется по последовательному каналу обмена RS-232. Инфор-
мация о внутреннем состоянии АНПА, а также данные о пара-
метрах среды накапливаются на жестком диске. Структура систе-
мы программного управления состоит из двух логических уров-
ней: нижнего (исполнительного) п верхнего (организационного).
Нижний уровень связан с объектом управления и включает в се
бя подзадачи управления движением, навигации, обслуживания
бортовых устройств, накопления данных и частично контрольно
аварийных функций. Организационный уровень представляет
собой программу-задание, написанную с помощью специализпро
41
Рис 1.4. Первый российско-китайский АНПА "CR-01"
Рис 1.5. АНПА "ОКРО-бООО"
ванного языка. При формировании программ-заданий для АНПА
используется методика аналитического программирования, кото-
рая не требует от пользователя знания всех особенностей систе-
мы управления аппарата. Проверка правильности программ
автоматизирована. Для этого средствами системы программи-
рования строятся модели робота и окружающей его среды.
К числу международных проектов относится также АНПА
"ОКРО-бООО" (рис. 1.5), разработанный по контракту с корпо-
рацией Daewoo (Республика Корея). Этот аппарат, рассчитанный
на глубины до 6000 м, предназначен для океанологических
исследований и имеет структуру управления, аналогичную
структуре аппарата "CR-01". В качестве операционной системы
используется сетевая многозадачная система реального времени
QNX. Данная операционная система обеспечивает работу
вычислительной сети с равноправными процессорными блоками.
Архитектура вычислительной сети и программная среда
позволяют производить при необходимости относительно
простое расширение за счет подсоединения новых вычислитель-
ных узлов.
43
Первые морские испытания аппарата состоялись в Мис
,996 г вблизи острова Донг-До в Японском море па г; Ии.„ах
аЗООм [И' 12]. Экспедиция базировалась на учебно ipcnnpo-
™чном судне "Hanbada". принадлежащем Корейскому упивер-
Заключптельные испытания аппарата проводились летом
1998 г в районе Тихого океана, в котором специалистами KORDI
ежегодно проводятся работы по обследованию залежей мине-
рального сырья. Данные испытания, проводившиеся с обеспе-
чивающего судна "Оппогу", показали работоспособность аппара-
та и возможность его использования для геологоразведочных
работ.
Кроме перечисленных "тяжелых" глубоководных АНПА
институтом разработан и изготовлен ряд "малых" аппаратов:
• автономно-привязной аппарат "TSL”, который предназна-
чался для обследования водоводов (туннелей) и может
работать в режимах автономного и супервизорного управ-
ления; в модернизированном виде аппарат используется
институтом для экспериментальных работ;
• "солнечный" АНПА (САНПА) - аппарат с питанием от
солнечных батарей; разработан по контракту с Институтом
автономных подводных систем (AUSR), США;
• легкий обзорный телеуправляемый аппарат с манипу-
лятором;
• буксируемые аппараты для больших и малых глубин.
Вопросы, связанные с созданием и использованием указан-
ных аппаратов, обсуждаются в последующих главах и разделах
книги. г
1.4, МОДУЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ АНПА
u Возможности, предпосылки
енности модульной технологии АНПА
технике при производстве'сеоий ° .Применяется в современной
здании новых образцов г™ продукции, а также при со-
ПреимущеСТва°кХ1СХтНЫХ ТеХНИЧеск^ объектов [46; 47].
па в океанотехнике, достаточнП°ЛЬЗ°ВаНИе МОдУльного принци-
верждать, что он играет в нягтп ° очевиднь1- однако нельзя ут-
-------- ящее время доминирующую роль
можно найти в HHTepHeT-ca^ht^/XwJmtp^ebras™1’1’' ° ИПМТ ДВ° РАН'
44
при создании различных подводно-технических средств (ПТС)
Обусловлено это, прежде всего, разнообразием конструктивного
исполнения ПГС и тем, что созданием их, как уже оЛечалось
занимаются организации, обремененные своим опытом и
традициями. Используемые в ПТС элементы готовой продукции
модульного исполнения рассчитаны, как правило, на работу в
составе отдельных специализированных погружных систем и
бортовых устройств (например, гидравлических приводов
электродвигателей [48]), хотя проблема может быть отнесена ко
всему комплексу систем подводной техники и, в особенности к
глубоководным АНПА.
Как известно [46; 47], модульный принцип основан на
унификации конструктивных и функциональных элементов
изделия, использовании ограниченной номенклатуры стандарт-
ных узлов и устройств, преемственности при осуществлении
различных модификаций и производстве опытных образцов. При
этом модульность (унификация) предполагает наличие опре-
деленной структурной иерархии во взаимосвязях систем,
образующих базовый состав изделия.
Остановимся на основных положениях, отражающих особен-
ности модульной технологии АНПА.
Унификация конструктивных элементов. Суть модульнос-
ти (унификации) заключается в создании комплекса стандарти-
зованных элементов несущей конструкции, погружных ус-
тройств и конструктивов малоразмерных прочных корпусов н
установлении параметрического и типоразмерного рядов для
всех элементов конструкции. Первоначально некоторые атрибу-
ты унификации возникли, как уже отмечалось, из необходимости
обеспечить компромисс жестких требований, предъявляемых к
массогабаритным и энергетическим характеристикам глубоко-
водных АНПА.
К основным техническим и эксплуатационным достоинствам
унификации можно отнести:
• простота изготовления прочных контейнеров,
• разделение систем для удобства и ускорения разработки и
наладки различными разработчиками;
• уменьшение электромагнитного взаимодействия за счет
разделения и мощного экранирования.
При разработке модульной технологии АНПА был ре
ряд важных проблем, основной из которых являлас Р '_ '
изготовления и испытаний герметичных прочных' к
для размещения электронных устройств и источи на
Обычный подход, принятый для аппаратов, ра с
45
,„.v состоял в размещении всей аппаратуры в
небольшую глубиУ' пусРх большого размера, причем и
одном плп двух про~ _ Р управляющая электро-
=' ==Ь х™,;
гашения может служить аппарат Скат-гео .
Ре другой аспект данной проблемы связан с делением систем
аппарата на отдельные подсистемы, погружные устройства узлы
и элементы. За рубежом широко используется способ по-
строения бортовых систем на основе высокой специализации при
производстве отдельных комплектующих элементов. Это
означает что сравнительно мелкие подсистемы и узлы интегри-
руются в составе более крупных функционально законченных
сменных блоков с выделением из их состава лишь отдельных
датчиков, антенн и т.п., зачастую в погружном исполнении.
Наглядным примером могут служить такие устройства как
свето- и радиомаяки, акустические гидрофоны. В ниде закончен-
ных устройств они довольно громоздки и сравнительно дороги.
Их сложно компоновать в составе малогабаритного аппарата.
В то же время, если выполнять указанные устройства в виде
отдельных узлов, а их электронику поместить в составе типовых
сменных блоков, то такая система разместится более компактно
и, в конечном счете, будет значительно дешенле. Конечно, при
таком подходе в выгодном положении находится разработчик,
обходящийся без поставщиков таких устройств, изготавливая их
собственными силами. Таким образом, идея модульного исполне-
ния и унификации конструктивных и функциональных элемен-
тов систем аппарата приводит, с одной стороны, к сокращению
номенклатуры используемых элементов на основе типовых
базовых устройств и типоразмерных рядов, но, вместе с тем,
ток°нДлкТ значительное число новых индивидуальных разрабо-
ных ппочних™0 °™еТИТЬ также- что Увеличение числа отдель-
X с™’™°РПУС0В ТребуеТ реШеНИЯ пРоблемы их герметич-
соединения и оптимизации электрических линий связи.
Функциональная унификация и системные модули
имеют способыЧстпуктУаЗРВб°ТКе АНПА большое значение
информационногоРобмУенНа°мОРГаНИЗаЦИИ боРтонь,х систем и
электронными блоками Эволюпия °тдельнь,ми модульными
лена, главным образом г™ ЮЦИЯ Н ЭТ0М отношении обуслов-
’ ршенствованием элементной базы И
46
ВОЗМОЖНОСТЯМИ ИСПОЛыппаигга mnn
средств. В отличие о? = вычислительных
менее подвержена моральному у старев анию°С™’ Которая
модульность (информационная
значительной мере уровнем интеграции бортовой электооники и
организацией ее программных средств (см. гл. 2) Первона
чальные варианты унифицированной структуры бортовых
систем АНПА основывались на использовании аналого-цифро-
вого обмена между модулями и интерфейса информационной
магистрали с элементами сетевой аппаратной структуры.
Магистрально-модульная структура, реализованная в
аппаратах первого поколения, была рассчитана на стандартное
включение модулей в систему и осуществление сравнительно
простых рабочих функций. Обмен информацией между
конструктивно-функциональными модулями (КФМ) осуществ-
лялся на основе естественных связей и сигналов, а их
преобразование к единой форме производилось в центральном
программно-управляющем устройстве (ЦПУУ), представляю-
щем собой "ведущий" модуль структуры. В последующей моди-
фикации в структуру были введены дополнительные элементы
(унифицированные интерфейсные платы, микроконтроллеры)
для подключения модулей к бортовой информационной магист-
рали, что позволило более оперативно переоснащать аппарат
сменным оборудованием.
Введение процессорных элементов в состав структурных
модулей расширило функциональные возможности аппаратов,
но потребовало дальнейшей унификации способа обмена через
единую магистраль без прямого доступа к памяти процессоров.
При сравнительной простоте и компактности интерфейса
подобная структура обладала невысокими динамическими харак-
теристиками и малой пропускной способностью. Для связи
бортовых систем с судовым комплексом использовался кабель-
ный канал с унифицированным интерфейсом подключения
бортовой магистрали и сопряжения информационных каналов.
В дальнейшем развитие многопроцессорной системы привело к
организации многоуровневой структуры управления и, в олее
поздних разработках, - к организации борговой локальной
вычислительной сети.
Конструктивная схема АНПА должна, очевидно^твеч^ть
тем требованиям, которые определяются ооще по пп„
задачи, назначением и тактико-техническими параметр .
рата. Практика показывает, что, несмотря на нек Р р
образце по составу систем и по конструкции, можно выделить в
47
Лйчопно-понсковых II обследовательских anna-
ратов'нТкоторый минимальный базовый состав систем, обеспе-
чпвающХыполненпе основных рабочих функции,
ВГбазовЫй состав системных блоков (модулей), являющихся
основными объектами исследований и разработок при создании
различных конфигураций обзорно-поисковых, обследователь-
ских и многоцелевых АНПА могут входить в виде функциональ-
ных модулей следующие системы и их подсистемы.
[.Система программного управления является управляю-
щим "ядром" аппарата и включает также элементы, осу-
ществляющие контрольно-аварийные функции.
2. Система энергообеспечения включает источники питания
и преобразующие силовые устройства.
3. Движительно-рулевой комплекс включает исполнитель-
ные устройства и блоки управления двигателями.
4. Гидроакустический навигационный комплекс может
включать системы с длинной и ультракороткой базой,
пространственно разнесенные элементы приемо-передаю-
щей аппаратуры и судовые средства.
5. Бортовой автономный навигационный комплекс может
содержать инерциальную навигационную систему, систему
счисления пути, доплеровский измеритель скорости и
приемник спутниковой навигации.
6. Гидроакустические системы телеуправления и телемет-
рии включают комплекс бортовой и судовой аппаратуры с
устройствами сопряжения каналов связи.
7. Система технического зрения может иметь в своем
составе обзорные гидролокаторы, фото-видеокамеры,
средства поиска и соответствующие устройства обработки
этой информации.
^'^^^ационно~измеРительная система содержит изме-
лотаЖ ЛТеТа водной сРеДЬ1. акустический профи-
лограф, геофизические приборы.
родного поНсвоей°с¥ти<^ИКаЦИЯ столь Разнообразного и разно-
техническую проблему К°МПЛекса пРеДставляет собой сложную
этом понятно, что полУнаяЩуниАнКУЮ °Т СВ°еГ0 РазРешения. При
соответствующей сЬопмяУ Ф„икация предполагает построение
многокритериальной оптимизации^ ” ВЬ1Работки методов
вряд ли имеет серьезный Ц™’ Что вряд ли возможно, да и
отметим лишь те из оснлпЛ ктический смысл. Учитывая это,
подтверждение в практическиГразОрЛа°боткахЙ’ К0Т°РЬ'е ПОлуЧИЛИ
48
Формирование модульных системных блоков и их объеди-
нение в ту или иную перестраиваемую структурную конфигу-
рацию может производиться по функциональному или террито-
риальиому признакам. Принципиальное значение при этом
имеют следующие факторы. Во-первых, при размещении и
внутренней компоновке конструктивов отдельных блоков
необходимо минимизировать занимаемый ими объем, количе-
ство и протяженность линий связи. Во-вторых, при выборе
элементов и их объединении в систему минимизируется также
удельное (на единицу массы) энергопотребление и, в-третьих,
должна быть гарантирована акустическая и электромагнитная
совместимость различных систем, датчиков и устройств.
Указанные факторы в сочетании с другими ограничениями
формально представляют собой противоречивое пространство
для оптимизации конструктивной схемы АНПА [49-51]. В прин-
ципе, как уже отмечалось, представляется более выгодным
интегрирование сравнительно мелких устройств и узлов в
составе более крупных блоков, что приводит к некоторому
доминированию территориального признака (в основном
связанного с особенностями конструкции АНПА) над функцио-
нальным и образованию ограниченной номенклатуры сменных
модулей. Кроме того, при этом имеются большие возможности
для резервирования наиболее ответственных функций, в том
числе, аварийных, и таким путем могут быть повышены
надежность и безопасность аппарата в целом.
Модульные конфигурации
и размещение системных блоков АНПА
Одним из важных условий (и, одновременно, достоинств)
модульного исполнения АНПА является максимальное упроще
ние технологии сборки всей конструкции аппарата и ее
оснащения новыми устройствами. Разработка элементов несу
щей конструкции, погружных систем и корпусных элементов
ориентирована не только на удовлетворение заданных
технических требований, но и на удобство, °пеРаУ.. _
сборки. Кроме того, как обосновано в работе [31], такой подход
позволяет автоматизировать процесс конструировDa3na-
ных конфигураций аппаратов на стадии их пр е на
ботки. Технология сборки основана на ' опнотИПНЬ1Х
отсеки, которые, в свою очередь, собира г легкого
элементов (каркасов, блоков плавучее *'• которых
корпуса) и прочных корпусов, размеры и количество которы.
•I Автономные
49
ют назначению каждого отсека. Несмотря „а стад,
соответств) ют назн „ оТССК индивидуален, поскольку
Давность исполнен < Лнкционал„„ую нагрузку. Гак. в
несет определе > Секциях), отличающихся размерами h
центральных отсе( ' блоков, размещаются источники
расположением Р програмМного управления и паппга-
Ценного комплекса, блоки управления двигателями блоки рЯда
пстем. Носовой и кормовой отсеки также собираются из
So ых конструктивных элементов, но имеют свозо специфику
по устройству и назначению. При модульной сборке аппарата
должны выдерживаться определенные геометрические и
весовые пропорции между отдельными секциями, чтобы обеспе-
чить жесткость, прочность, плавучесть конструкции и минималь-
ное сопротивление при движении аппарата.
Аппараты модульного исполнения имеют типичную для них
конфигурацию и отличаются по форме лишь элементами внеш-
них обводов, пропорциями и некоторыми деталями в разме-
щении внешних устройств. Форма корпуса всех аппаратов обра-
зуется на основе сборной несущей конструкции, блоков плаву-
чести, придающих конструкции жесткость, и легкого корпуса,
придающего аппарату желаемые внешние обводы. Для большин-
ства аппаратов характерно наличие в геометрии корпуса цен-
тральной цилиндрической части, придающей им торпедообраз-
ную форму с продольной симметрией, которая, однако, в ряде
случаев нарушается вследствие тех или иных особенностей
проекта. Выбор такой формы не является оптимальным в
отношении гидродинамического сопротивления, в особенности,
при наличии на корпусе различных выступающих частей, но
представляется более технологичным и удобным для компонов-
ки системных блоков. Иной формой отличается аппарат "Тифло-
нус при проектировании которого ставилась задача миними-
Х\Сп°=ИВЛеНИЯ’ ЧТОбы обеспечить более высокую ско-
были поинятк И ТЬ’ШеННуЮ Дальн°сть хода. В связи с этим
пли близкая к вей к^ктоукппяЗУЮ1Це" является ватамаравная
удобства при размещении адтеннь?х°гиаВЛЯЮЩаЯ опРеДеленные
других забортных устройств ПопобНаР°аКуСТИЧеСКИХ СИСТеМ ”
частности, в проектах S Д 6 Ная схема бь1ла принята, в
заРУбежных аппаратах^'МАЯ/их^щ’АЕ^Н^"Skat-ne°" " ”
50
Выбор той или иной конструктивной схемы АНПА ппепстав
ляется нс просто как результат дизайна, а является по сущ™
проблемой, отвечающей наиболее рациональной конфигурации
бортовых систем аппарата при наличии довольно жестких
ограничении по массе, габаритам, эксплуатационным характе-
ристикам, акустической и электромагнитной совместимости
протяженности линии связи и др. Все подобные ограничения и их
физические особенности имеют, в основном, эмпирический
характер, и их формализация с целью выбора оптимального
варианта размещения аппаратуры оказывается во многих
случаях проблематичной, да и, вообще, неадекватной реальным
условиям разработки. Поэтому на практике используется,
главным образом, принцип преемственности, основанный на
предыдущем опыте и анализе прототипов. При этом, очевидно,
должны учитываться и новые требования, возникающие при
разработке проекта.
На рис. 1.6 приведена в качестве примера конструктивная
схема аппарата "CR-01", в которой отражены все наиболее
характерные требования по составу и компоновке системных
блоков.
Общий состав систем аппарата, как уже говорилось, опре-
деляется его назначением и целым рядом технических ограниче-
ний. Отметим ряд основных требований к размещению и компо-
новке системных блоков и устройств, вытекающих из модульной
технологии. Общая схема размещения всех системных блоков по
отсекам и каркасам и их соединения в единую конструкцию
строится при доминировании функционального признака. Ины-
ми словами, конструкция содержит отсеки, положение которых
независимо от их конкретного технического исполнения опреде-
лено их назначением и функциональной нагрузкой. К таким
отсекам относятся:
• носовой отсек, в котором обычно размещаются эхоло-
каторы переднего обзора, различные датчики, свето-радио
маяки, сбрасываемый балласт;
• центральные отсеки, где находятся батареи аккумуляторов,
системные блоки автопилота, гидроакустических систем,
систем технического зрения и ряд других устройств,
• кормовой отсек, представляющий собой хвостовик с дви-
жительно-рулевым комплексом и стабилизаторам
имеющий оригинальную по отношению к другим отсекам
С^отипностью устройства отсеков достигается высокая
технологичность при изготовлении, монтаже к н ру
51
Рнс 1.6. Конструктивная схема АНПА "CR-01"
перестройке той или иной конфигурации систем. Одновременно
обеспечиваются удобство эксплуатации аппарата и прямой
доступ ко всем обслуживаемым Устройствам - аккумуляторам
компенсаторам, разветвительным соединениям и т.п Р ’
При установке блоков внутри отсеков требуется учитывать
ряд факторов, от которых зависят эксплуатационные, прочност-
ные и балластировочные характеристики аппарата в воздухе на
плаву и в погруженном состоянии. Жесткость конструкции как
уже говорилось, обеспечивается за счет применения шпангоутов
соединений каркасов между собой, а также блоков плавучести.
Компоновочным расчетом решается также задача обеспече-
ния углового равновесия аппарата в воздухе и в воде по креиу и
дифференту. Аппарат должен иметь также требуемый запас
плавучести и обладать остойчивостью, удовлетворяющей требо-
ваниям к системе стабилизации движения.
Теоретически ряд из этих свойств можно обеспечить, следуя
принципу формирования отсеков по нейтральной плавучести,
однако это приводит во многих случаях к избыточным массо-
габаритным характеристикам. Другой, более рациональный,
подход связан с обеспечением максимальной плотности отсеков
и соответствующим компоновочным расчетом на равновесие.
Необходимо также учитывать, что ряд систем и устройств в
силу их специфики требует индивидуального отношения к их
размещению и ориентации. Таковыми являются, в частности,
некоторые антенные устройства (антенны обзорных локаторов,
профилографа), инерциальная навигационная система (ИНС),
аккумуляторные батареи, фототелевизионная система. Некото-
рые из них, такие, как ИНС, по условиям эксплуатации
располагаются в горизонтальной плоскости аппарата перпенди-
кулярно его продольной оси. Другие, такие как фото-телеви-
зионная система, аккумуляторы, размещаются вертикально, а
значительная часть блоков устанавливается произвольно, но с
учетом их масс и габаритов.
Преемственность модульных конфигураций АНПА
Преемственность при создании новых °®Раацовг,1'^™,
является одним из атрибутов модульной техноло it Р - * &
тельно к АНПА преемственность различных ко стру
структурных конфигураций
ванию базовых модульных блоков иа о чт0 преемственность
рата-предшествениика). Это озиачаi , этапах и уровнях
сохраняется, в определенной мере, на
53
г . ЛИПА- ПРИ проектировании, изготовлении Ма|<еч._
ньл Экспериментальных п опытных образцов. Гегесгвеиио, в
процессе разработки могут возникать новые решения. гребую.
Хе частичного переоснащения аппарата, ио именно мОдуЛ1).
ноХ позволяет сохранять и наращивать его основные свойства.
Отсюда естественным путем образуется преемственный ряд
аппаратов, в которых реализуется та пли иная структурная
схема.
Имеется достаточно богатый практический опыт использо-
вания такого подхода при осуществлении различных конструк-
тпвных модификаций аппаратов. Иллюстрацией могут служить
примеры разработок, показывающие возможности модульной
технологии при реконфигурации аппарата на основе конструк-
тивных элементов прототипа или аппарата-предшественника.
В качестве одного из таких примеров можно привести преемст-
венный ряд АНПА: Jl-l, Л-2, Тифлонус, МТ-88, CR-01, CR-02,
ОКРО-бООО, TSL.
В определенном смысле можно говорить о модульной
преемственности (применяемости модульных систем) и в
отношении аппаратов, имеющих принципиальные отличия по
конструкции и назначению, а также и других типов подводно-
техшгческих средств.
Пространственный информационно-управляющий
робототехнический комплекс АНПА
Комплекс включает в себя собственно АНПА, судовое обо-
рудование, буксируемые модули гидроакустических антенн, дон-
ные или дрейфующие гидроакустические приемоотвегчики. Все
элементы комплекса, кроме штатных судовых систем, обеспечи-
вающих работу АНПА, выполняются на основе типовых модуль-
ных блоков. Обычно в состав судового оборудования входят
элементы навигационного комплекса (ГАНС ДБ, ГАНС УКВ,
GPS), вычислительного комплекса, гидроакустической системы
связи (ГАСС) с постом супервизорного управления и телеметрии.
Функциональное единство комплекса обеспечивается каналами
гидроакустической, спутниковой, кабельной и радиосвязи с
модемами для сопряжения каналов связи и бортовых систем
АНПА. Приемные и передающие элементы ГАНС и ГАСС
вследствие их однородности также допускают унификацию
и единообразное исполнение при имеющихся различиях в
характеристиках (принципы построения таких систем изложены
в гл. 3).
54
Совершенно на иных принципах может быть построен
пространственно распределенный робототехнический комплекс
для долговременной работы в океане, мониторинга водной среды
и наблюдения за подводной обстановкой. В основе этого
комплекса лежит идея использования малых унифицированных
аппаратов-роботов с энергопитанием от солнечных батарей,
(принципам организации таких комплексов посвящена гл. 6).
При максимальной специализации любой элемент такого
распределенного комплекса может выполнять одну или
несколько рабочих функций, В принципе, подобная задача
может быть решена путем создания различных специализиро-
ванных ПТС на основе уже существующих модульных систем и
их конфигураций.
Глава 2
архитектура СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
И ПРОГРАММНАЯ СРеДА
21 ЗАДАЧИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В СТРУКТУРЕ АНПА
Для выполнения обзорно-поисковых п обследовательских
работ на больших глубинах п в условиях сложного рельефа дна,
подледных работ и т.п. необходима организация на оорту
АНПА развитой системы управления. Первоначально в АННА
использовались относительно простые системы управления (ана-
логовые управляющие модули, микропрограммные автоматы).
Аппараты такого класса могли выполнять несложные обзорно-
поисковые работы, а задания для АНПА представляли собой ли-
нейные программы. Подобные структуры использовались в
некоторых зарубежных аппаратах и первых отечественных
аппаратах ("Скат-Гео", "Л-1", "Л-2"). При этом выявились
ограничения, обусловленные жесткой структурой управления.
Ядро системы управления - программный блок - был реали-
зован в виде цифрового автомата на основе микросхем низкого и
среднего уровня интеграции. Хотя это и позволило сделать ядро
системы относительно простым и удобным в обслуживании, но
сохранило основные ограничения, связанные с отсутствием авто-
номной коррекции движения.
По мере развития элементной базы в АНПА стали разме-
щать достаточно мощные вычислительные системы. Благодаря
этому стало возможным выполнение сложных обследователь-
ских работ и комплексных исследований по мониторингу Океа-
на. К системам управления (СУ) АНПА при этом предъявляется
гппгпХеЗНЬ'Х тРебований п° надежности и автономности,
В гнаэи С™ аПпаРата работать в сложных условиях среды.
архитектуТси^^06 Значение имеет разработка программных
адаптивное попегМЬ' уПравлеиия- обеспечивающих сложное и
„л™ЗЗАЗ-Й .
56
Типичная структура
и функции системы управления
Рассмотрим характерные особенности системы управления с
учетом предъявляемых к ней основных требований Как Se
отмечалось, в развитии АНПА существует определенная тендеи
ция к использованию в том или ином виде канала телеуправ-
ления (ТУ). Для этого имеется ряд объективных условий РВо-
первых, использование канала ТУ (супервизорное управление)
существенно расширяет возможности АНПА при выполнении
сложных обзорно-поисковых и поисково-обследовательских за-
дач. Во-вторых, по мере развития вычислительных средств,
наметилось сближение телеуправляемых привязных аппаратов
(ТПА) и АНПА. В первых вариантах привязных ТПА человек-
оператор, используя "эффект присутствия", осуществлял супер-
визорное управление, которое сопровождалось большим объе-
мом передаваемых команд. С течением времени низкоуровневое
управление переместилось с обеспечивающего судна внутрь
аппарата, и в последних вариантах ТПА обмен информацией
между роботом и оператором идет на уровне команд высокого
уровня типа "возьми то-то" и "двигайся туда-то". В некоторых
вариантах ТПА (например, TSL) между роботом и оператором
существует чисто информационная связь, а энергопитание ТПА
осуществляется автономно с помощью батарей. В-третьих, раз-
витие средств сжатия, кодирования и передачи информации по
гидроакустическим каналам связи привело к созданию каналов с
достаточно высокой пропускной способностью (до 20 кбит/с).
Это дало возможность осуществлять связь между робото.м и
оператором не только командами, но и передачей достаточно
большого объема информации, в том числе и видеоизображений
в режиме малокадрового телевидения.
Использование аппарата с большой степенью автономности
предъявляет специфические требования к системам навигации и
управления движением. В частности, необходимо, чтобы борто-
вой навигационный комплекс вычислял с требуемой точностью
локальные пли географические координаты аппарата, исполь
зуемые системой управления для формирования и коррекции
программы движения. АНПА, работающий подо льдом или
имеющий большой радиус действия, должен иметь
автономности большую, чем аппараты, раоотающ i '
судна и имеющие постоянный контакт с оператор . Р -
выполнения длительных миссий для таких апп р
57
паются эффекты неопределенности п неполного знания о hioch-
те^ьно окружающей среды. Следовательно, если для АППЛ с
небольшим радиусом действия могут быть использованы де-
тально специфицированные программы-задания, то для далью,-
действующего АНПА такой подход с большой вероятное п.ю
будет терпеть неудачу: при выполнении миссии могут возник-
нуть обстоятельства, непредвиденные пользователями. 1акои
АНПА должен иметь возможность корректировать свои планы
по мере возникновения непредвиденных ситуаций. Например,
при поиске, обнаружении п отслеживании протяженных объек-
тов ставится задача выработки адаптивного поведения на основе
информации системы технического зрения.
Несмотря на все различия в организации программно-
аппаратной архитектуры существующих аппаратов, любая систе-
ма управления выполняет в составе АНПА следующие основные
функции:
• организует выполнение программы-задания и осуществляет
управление движением;
• осуществляет обработку запросов от систем обнаружения и
навигации и соответствующую коррекцию задания;
• контролирует состояние бортовых устройств и корпусной
системы АНПА, а также условия внешней среды для обес-
печения безопасности при работе под водой;
• организует работу бортовой аппаратуры в соответствии с
заданием;
• осуществляет сбор и накопление информации;
• осуществляет предстартовое тестирование бортовых уст-
ройств и проверку загруженной миссии;
* АНГ1АДейСТВУеТ ° суД0ВЬ1м компьютером поста управления
o6na30MyrMr.CTPyKT^Py СУ можно представить следующим
по упоавпеншл^а С0Держит внутренний контур обратной связи
имеются система внешний“ по планированию. Соответственно
П»-
траекторию АНПд ТЭВ планиРов1Чик, который задает
лее ,„иагаы Д-
управления (рис. 2.1) Н Н руются нижним уровнем системы
Цели для системы0управлениГни Пр°2раммой'заданием задает
может иметь различную струКтуруер°егУР0ВНЯ’ ПланиРовЩик
состав нижнего уровня(системы*е^торы, входящие в
уровня системы управления, служат для дости-
5В
Рис. 2.1. Общая структура СУ
жения целевых значений, задаваемых планировщиком, и также
могут иметь различную структуру. В настоящее время для управ-
ления АНПА используются как классические ПИД-регуляторы,
так и регуляторы с переменной структурой, на основе нечеткой
логики, нейронных сетей и др. Контрольно-аварийная система
(КАС) также входит в состав нижнего уровня системы управ-
ления. В задачи КАС входит оценка состояния аппарата и
реализация действий по восстановлению состояния подсистем
АНПА в случае выхода их из строя. Как правило, КАС содержит
эталонную модель контролируемых процессов.
Поскольку основная задача АНПА - сбор информации, то
необходимой частью СУ является накопитель данных. Как пра-
вило, в роли накопителя выступает жесткий или твердотельный
диск управляющего компьютера. Информация с помощью
архиватора сохраняется в виде, пригодном для последующего
анализа. Для реализации внешнего контура обратной связи в
качестве устройств, получающих информацию о внешней среде,
используются в основном различные эхолокационные приборы.
Практическое распространение получили многолучевые эхо-
лоты с фиксированной диаграммой направленности или скани-
рующие локаторы. Проводятся эксперименты по использованию
других средств очувствления, в частности, видеокамер. В настоя
щее время с их помощью удается организовать использование
несложных видеоизображений для управления АНПА.
59
Система управления:
аппаратная и программная части
Системы управления всех современных автономных подвод-
ных аппаратов содержат бортовую локальную вычислительную
сеть (ЛВС). В зависимости от размеров АНПА, его налы кипя и
используемой схемотехники сеть может содержать как один, гак
н несколько компьютеров. Применяется также распределенная
(на основе микроконтроллеров типа Neuron) или матричная
(в основном, для реализации нейроконтроллеров) архитектура.
Характеристики робота определяются как конфигурацией вы-
числительной системы, так и организацией и принципами ра-
боты (архитектурой) его программного обеспечения.
Нижний уровень управления предназначен, прежде всего, для
реализации основной управляющей последовательности: датчи-
ки-» АЦП -> обработка данных -» ЦАП -» движители. Его
средства ориентированы на организацию функционирования
аппаратного обеспечения, получение и предварительное исполь-
зование данных. На этом уровне определяющую роль играют
свойства используемой аппаратуры. Система управления на
уровне планирования, напротив, имеет дело с более абстрактной
информацией и не связана с обработкой исходных данных.
Характеристики этого контура управления определяются свой-
ствами используемого программного обеспечения.
Базой всего прикладного программного обеспечения АНПА
является операционная система. Во многом она определяет свой-
ства системы управления и требования к ее вычислительным
мощностям. В зависимости от конфигурации аппаратной части
СУ и задач, стоящих перед ней, могут потребоваться различ-
ные операционные системы. Требования к операционным систе-
мам изменялись по мере развития систем управления АНПА.
пкпРАДиМ ЭТ° На пРимеРе аппаратов, созданных в ИПМТ
Дви ± АН.
тенлВенпиЯВ^ИИ пРеемственн°го ряда аппаратов преобладает
ГпенХизЯУМеНЬШеНИЮ К0ЛИчества Управляющих процессоров
жается. в возХТ^' управления- Данная тенденция выра-
управляюшегл 3 ЩеИ нагРузке на вычислительные ресурсы
аХекХсуХП₽ЬЮТера (автопилота)- Таким образом,
максимальное быстродействие пои^ Д°ЛЖНЬ1 обеспечивать
Ввиду малых nu.uufn деиствие ПРИ минимальных ресурсах.
"МТ 88", "Р-1" “ рщ ДИ^Л1Ь"Ь,Х км°ЩНостей СУ в аппаратах
либо операционные В°Обще Не попользовались какие-
ерационные системы. При этом необходимая мультиза-
60
ко°го дискаГ’0 °',еРСЦЬ И3‘3а Heo6xo«™ обслуживания же^
(АНПА ''оКРО-бООТл""?') РпоСтПрРебДоеваеНН°Й СТруКТурь' СУ
реального времени с сттевой^ХХ°^ S“
рошую приспособляемость системы управления робота к из
менениям аппаратной конфигурации вычислительной сети и
упрощает организацию межпроцессорного взаимодействия Ос-
новными критериями при выборе операционной системы' для
АНПА являются:
• минимальные требования ОС к вычислительным ресурсам
(размеру оперативной памяти и мощности процессора);
• распределенные вычисления и сетевые возможности;
• облегченная конфигурируемость;
• минимальное время переключения контекста задач.
В наибольшей степени перечисленным выше характеристи-
кам удовлетворяют ОС РВ семейства UNIX (OS-9, Linux, QNX,
VxWorks и т.п.), которые и используются в подавляющем
большинстве случаев.
2.2. АППАРАТНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ АНПА
Как упоминалось выше, структура бортовой вычислительной
сети АНПА зависит от его назначения, размеров и требований
по энергетике. Одно из основных требований к ЛВС АНПА-
минимальный уровень используемых вычислительных ресурсов.
Данное требование имеет под собой следующие основания:
1) необходимость рассеяния тепла в замкнутом объеме при
отсутствии конвекции не позволяет использовать мощные
процессоры;
2) для того чтобы увеличить максимальную продолжитель-
ность запуска АНПА требуется минимизировать энерго-
затраты, в том числе за счет меньшего потребления сУ
(это требование особенно важно для аппаратов с мало!
емкостью энергисточника);
3) косвенной экономии электроэнергии можно до *
счет выбора меньших габаритов прочных х0”те1
размещения процессоров, что влечет за со oi У
затрат на движение, и, следовательно, ув
номности АНПА.
61
Спепствие пунктов 1-3:
^сравнительно небольшой размер оператишюп намят,,
микрокомпьютеров (единицы мегабайт),
5) невысокая производительность процессоров.
Рассмотрим основные конфигурации ЛВС, используемые в
настоящее время.
Конфигурация "звезда"
Использование небольших, малогабаритных АНПА с огра-
ниченными энергетическими ресурсами предъявляет жесткие
требования к энергопотреблению системы управления. В таких
аппаратах используется, как правило, один процессор, обеспе-
чивающий решение всего комплекса задач по управлению
АНПА (навигация, обработка информации от измерителей,
управление движением, контрольно-аварийные функции, обеспе-
чение телеуправления). Такой процессор снабжается всей
необходимой периферией (АЦП, ЦАП, различные платы сопря-
жения), а к его программному обеспечению предъявляются
высокие требования по скорости работы. Подобная конфигу-
рация вычислительной сети получила название "звезда". При-
мерами аппаратов с такой топологией ЛВС могут быть НПА
TSL и AUV "FetchW На рис, 2.2 а) схематично изображена
конфигурация вычислительной системы этих аппаратов. Под
обозначениями У-Д...У-N здесь понимаются различные борто-
вые устройства (двигатели, эхолокаторы и т.п.), подключенные
непосредственно к платам сопряжения бортового компьютера,
пилотаРНПД34РЛВ*Дпа упР°щенНая ^руктурная схема авто-
микпп -чкк/п TSL с ?снову его составляет индустриальная
микро-ЭВМ Octagon 5066 с шиной МикроРС.
62
Рис. 2.3. Автопилот аппарата TSL
Помимо процессора автопилот снабжен двумя таймерами:
первыи служит для обеспечения работы эхолокационной систе-
мы, второй - для снятия показаний относительного лага, коли-
чества оборотов катушки с оптоволоконным кабелем’ и для
управления приводом ТВ-камеры. Компас и датчики угловых
положений и скоростей через соответствующий контроллер
подключены к АЦП. Помимо этого АЦП оцифровывает также
информацию от датчика давления и датчика положения
ТВ-камеры. Через этот же АЦП поступают данные о токах дви-
гателей. Управление двигателями осуществляется через ЦАП.
Непосредственно к процессору через RS-232 подключен оптово-
локонный модем, который используется для связи с оператором
во время погружения. Для связи аппарата с компьютером судо-
вого вычислительного комплекса (СВК) во время нахождения на
борту обеспечивающего судна используется канал Ethernet,
который подключен к шине через карту E-net. Данный канал
связи используется для передачи больших объемов данных.
Применение конфигурации "звезда" (с одним компьютером)
обеспечивает минимизацию габаритов автопилота п его энерго-
потребление, но делает проблематичным развитие аппарата и
добавление новых устройств. Связано это с большой загру-
женностью одного процессора. Кроме того, бортовые устрой-
ства разрабатываются различными производителями, что при-
водит к определенным сложностям при встраивании обеспечи-
вающих программ (драйверов) в систему управления.
Альтернативой такой конфигурации может выступать одни
компьютер, сопряженный с несколькими микроконтроллерами
(рис. 2.2 б). Каждый из микроконтроллеров осуществляет пред-
варительную обработку сигналов от одного пли нескольких из
63
........................ ... |Ч vcrnoilC i В. i л.пнндн lUHMHimt-
MCl1"TeJ1,’,,MXj;^’"контроллерами стандартными (как правило,
тер связан с микрок...обмена. Для обеспечения новы-
послсдовательными) . архитектуре предусмотрен
=* Ж-SX .............................................
итроллери га.™,туюте,.трем
• разгружают главную машину,
• допускают автономную разработку и отладку,
• увеличивают надежность системы за счет уменьшения ко-
личества проводов в АНПА и наличия средств самодиаг-
Прпмыюние подобной конфигурации позволяет освободить
ресурсы центрального процессора для решения задач высокого
уровня Однако при этом для расширения системы необходимо
предусмотреть наличие пустых слотов для подключения новых
линий обмена данными. Примерами подобной конфигурации
могут служить СУ AUV "Odyssey" [15], "REMUS" [20], "Aqua
Explorer 2" [19] и "R-One Robot" [21].
Конфигурации с последовательными каналами обмена
Наличие непосредственных связей с каждым из микро-
контроллеров увеличивает "живучесть" АНПА, однако требует
достаточно большого количества прямых соединений с авто-
пилотом. Альтернативным является подход с единственным
последовательным каналом обмена, проложенным по всему
аппарату. Такой подход значительно уменьшает количество
забортных цепей АНПА и разъемов в прочных контейнерах.
Впервые подобная конфигурация СУ была применена при
создании АНПА "МТ-88" (рис. 2.4).
Канал связи представлял собой симметричную двух-
проводную линию, с помощью которой бортовые вычислители,
реализованные на базе микропроцессорного комплекта серии
К588, объединялись в систему управления. Аппарат содержал
несколько активных (оснащенных процессорами) и пассивных
(беспроцессорных) блоков. Для канала связи аппарата "МТ-88"
была характерна невысокая скорость обмена из-за ограничения
вычислительных ресурсов по памяти и быстродействию [2].
Похожие конфигурации систем управления несколько позднее
были реализованы в аппаратах "Ocean Voyager 2", "Ocean
MitKrTT И Am,oa“^ [8] на базе сетей, основанных на
этпйг^НТРОЛ'ПераХ NeUr°n (сеть WNWorks). Все контроллеры
этой сети подключены к единственной витой паре (рис. 2.5). Сеть
64
Рис. 2.4. Фрагмент бортовой сети АНПА МТ-88
Рис. 2.5. Архитектура с последовательным каналом обмена
обеспечивает передачу небольших пакетов данных за гаранти-
рованное (небольшое) время, что актуально для сетей реального
времени.
Стандартный микропроцессор сети Neuron состоит из 3-х
подпроцессоров. Первый из них отвечает за низкоуровневый
доступ к носителю информации, второй - за высокоуровневую
обработку данных на уровне сети, третий обслуживает приклад-
ную программу пользователя. Структуры аппаратов состоят из
узлов, каждый из которых обслуживается своим LONWork-
s Авюномныс gg
„„'ПОМ Информационное взаимодействие е головным
>•₽«"» “б"'"а .......... '"|'"“го
уртиня. Гибридная конфигурация
Все разнообразие архитектур ЛВС, применяемых в ЛИПА,
СНОПИТСЯ к двум основным топологиям.
. тополе -Я типа "шина", в которой узлы сети подключены к
единой магистрали, образующие многоточечную сеть.
Основными достоинствами топологии этой сети являются
почти неограниченное п недорогое расширение числа узлов
и высокая скорость обмена. Главный недостаток - пробле-
мы в магистрали приводят к полной неработоспособности
• топология типа "звезда", в которой каждый узел в сети
подключен индивидуально к контроллеру (концентратору)
сети по принципу "точка-точка". Главными достоинствами
топологии являются: сохранение работоспособности сети
прп отказе каких-либо абонентов, простота поиска не-
исправностей и обслуживания. Однако, стоимость такой
системы выше, чем системы с единой магистралью, и
увеличение узлов в сети ограничено количеством каналов
концентратора.
С точки зрения обеспечения надежности для подводных
аппаратов наиболее предпочтительна топология типа "звезда".
Однако для многоцелевого АНПА, насыщенного большим
количеством бортовых систем, принцип централизации, зало-
женный в основу "звезды", накладывает ограничение на коли-
чество узлов, подсоединенных к концентратору. Это связано,
прежде всего, с ограниченным количеством выводов гермо-
разъемов прочного контейнера. Для топологии типа "звезда"
подключение нового устройства требует прокладки новой линии
или резервирования дополнительных портов.
По мере усложнения выполняемых АНПА функций
(включение элементов технического зрения и т.п.) управление с
использованием только одного главного компьютера и сети
вспомогательных микроконтроллеров становится невозможным.
° пРичине разрабатываются гибридные структуры
(рис. ) управляющих систем на основе обоих типов топологии
сети. Основанием в такой системе выступает какой-либо вы-
пппипК°Р0СТН0Й КаНаЛ СВЯЗИ (напРимеР- Ethernet), к которому
еет^Гипд °™овнь,е компьютеры локальной вычислительной
«(„пир Г° использование позволяет применять совре-
нные сетевые вычислительные системы {UNIX, QNX и др.) и,
66
Рис. 2.6. Гибридная конфигурация
при необходимости, осуществлять обмен большими массивами
ДЭНК стандартным портам компьютера Могут быть подключены
как бортовые устройства, определяющие "живучесть аппарата,
так и сегменты последовательных каналов сети. В сегменты сети
объединяются устройства, функционально связанные между со-
бой, с целью минимизации информационных потоков. В случае
выхода из строя какого-либо компьютера отказоустойчивость
сегментов можно повысить, соединив их между собой мостами.
Работа с исполнительными механизмами и сенсорами осу-
ществляется непосредственно с узлов вычислительной сети либо
через подключенные к ним сегменты микроконтроллерных
сетей. Базовым элементом сетевого узла является микроконтро-
ллер, который помимо сетевых функций может обслуживать
сравнительно простое бортовое устройство (коммутатор пи-
тания, исполнительный механизм, измеритель давления). Для
более сложных устройств сетевой микроконтроллер объеди-
няется с другим вычислителем, например, с сигнальным про-
цессором. Подобная архитектура системы управления исполь-
зована в АНПА ИПМТ ДВО РАН [5], а также АНПА "Hugin
3000” [18].
Структура ЛВС АНПА
В вычислительную сеть, архитектуры которой рассмотрены
в предыдущих пунктах, входят различные исполнительные и
измерительные устройства. В общей структуре ЛВС (рис. 2.7)
можно выделить базовые системы, обеспечивающие функциони-
nnHrvnt НПА КаК н°сителя аппаратуры, и информационно-
завпеимг.16 системы’ Набор последних может изменяться в
зависимости от назначения АНПА.
компьютеп3/й^11'ИМ ЯДРОМ базовых систем является ведущий
движением контпИп°Т ’ °беспечиВаЮ1Ций функции управления
ЛопмТпЛ К0НТР0ЛЬН0'аварийиые и поисковые функции Для
ЙэТ/пЕТ используется набор пилотажных X
датчики. Движение организуйсяi сЫомоЫьЫ аварийНЫе
вого Комплекса R У помощью движительно-руле-
имеет различную конФипЫ00™ °Т модиФикаЦии аппарата он
НИИ гидроакустической системы гаязиУ^еСТВЛЯТЬСЯ при на™-
используется для опепатппи г. СВЯЗи- Данная система также
состоянии АНПА Систем ° ° ПолУчения данных о текущем
аниа. Системы поиска АНПА используются для
68
Базовые системы АНПА
Системы поиска
АНПА
• гидроакустический маяк
• состо-радио маяк
• система радиосвязи
ДВИЖИТСЛЫЮ-рулеррй
, комплекс
• блок управления двигателями
• маршевые двигатели
• подруливающие двигатели
Система
энергообеспече^д
|» батареи
• датчик тока
Ядро системы управления
• компьютер автопилота
• пилотажные датчики
• элс
• аварийные датчики
Поисковые и измерительные системы
Система
технического зрения
• тве
• ГБО-ГСО
• ЭМИ
• профилограф
Информационно-
измерительные системы
• датчики параметров
водной среды
• геофизические
датчики
Бортовая
Навигационная
система
ИНС
доплеровский лаг
приемник GPS
система счисления
пути
Рис. 2.7. Структура ЛВС АНПА
обнаружения АНПА на поверхности после окончания выполне-
ния работ. Информационно-поисковые системы по способу по-
лучения данных можно разбить на несколько групп. К акусти-
ческим системам относятся гидролокаторы бокового и сектор-
ного обзора, профилограф.
Данные устройства обычно подключаются к отдельному
компьютеру для анализа, обработки и записи информации. По
мере развития средств обработки изображений все большее
значение приобретает телевизионная система (ТВС). Помимо
фото- и видеокамер в ее состав также входит компьютер, осуще-
ствляющий выделение изображений. Эти данные могут исполь-
зоваться как для навигации, так и для обнаружения объектов.
Вычислительная сеть АНПА используется для создания
единой информационной структуры, состоящей из компьютера
автопилота, компьютеров системы технического зрения, а также
69
ш лнпл-спо
5
I
I
5
ррератора АНПА
Компьютер оператора АНПА
Компьютер обработки акустических
изображений
Компьютер обработки и архивации
видеоизображений
Источник бесперебойного питания
Система радиосвязи
Радномодем
Суповой вычислительный комплекс поста
навигатора АНПА
Компьютеры ГАНС-УКБ и ДБ
Компьютер ГАСС
Приемник GPS
Источник бесперебойного питания
’S х
= S
Буксируемый
гидроакустический модуль
Рис. 2.8. Схема комплекса АНПА-СВК
различных бортовых устройств, функционирующих на базе мик-
роконтроллеров различных типов. Сеть обеспечивает скорост-
ной обмен информацией между компьютерами СУ и "прозрач-
ный" информационный доступ любого из компьютеров к любо-
му из бортовых устройств. Для организации сети используются
как высокопроизводительные каналы обмена (Ethernet), так и
относительно низкоскоростные последовательные каналы.
Судовой вычислительный комплекс (СВК) состоит, как
правило, из судовых постов оператора (СПО) и навигатора
(СПН) АНПА. Типичный состав СВК, а также его взаимосвязи с
АНПА показаны на рис. 2.8. Судовой пост оператора и
буксируемый гидроакустический модуль (БГАМ) обеспечивают
информационную связь с АНПА и определение координат
АНПА во время выполнения программы-задания. Судовой пост
оператора выполняет следующие функции:
• подготовку миссии (составление программы-задания на те-
кущий запуск АНПА);
• верификацию миссии в режиме off-line (вне АНПА) и ее
последующую загрузку в АНПА;
• считывание накопленных данных, просмотр параметров
движения АНПА и оценку качества выполненного задания
после подъема АНПА на борт;
70
• осуществление регламентных работ с АНПА-
• управление АНПА на поверхности с
средств радиосвязи. спользованием
Во время нахождения АНПА на борту судна ЛВС
управления подключается к судовой ЛВС кабелем связи С этого
момента ЛВС АНПА становится информационно доступна с
компьютеров СПО и СПН. При этом обеспечивается загрузка
программ в АНПА, его предпусковая проверка и выгрузка
накопленных данных после завершения миссии Во время
нахождения аппарата на поверхности за бортом судна его си
стема управления доступна только с СВК через канал радио-
2.3. ПРОГРАММНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АНПА
Развитие структуры программного обеспечения АНПА шло
в нескольких направлениях. Одно из них связано с адаптацией к
специфике АНПА архитектур управления, разработанных для
автономных наземных средств. Здесь можно отметить работы по
применению управления с расслоенными структурами в AUV
"Odyssey" и "Fetch" [15; 12] и иерархической архитектуры с
эталонной моделью в AUV “EAVE-ИГ [7]. Другое направление
заключалось в расширении информационной автономности при-
вязных НПА за счет переноса на борт интеллектуальных функ-
ций управления. Данное направление характеризуется появле-
нием гетерархической структуры [3]. Исследовались и разраба-
тывались также системы управления с сетевой архитектурой,
изначально ориентированные на применение в АНПА [6].
В зависимости от логики организации взаимодействия всех
модулей системы различают иерархическую (функциональную),
поведенческую (расслоенную) и гибридную (смешанную) архи-
тектуры [13].
Принцип восприятие-модель-план-действие является ключе-
вым для иерархической архитектуры. На основе этого принципа
функционирует каждый из уровней иерархии. Такая архитектура
характеризуется вертикальным движением информации. т>ек
том действия каждого последующего уровня иерархии является
нижестоящий уровень, при этом манипуляции производятся со
все более абстрактными данными. Можно сказать, что снизу
вверх движутся данные от сенсоров, становясь все оолее а
страктными. Сверху вниз осуществляется планирование де
вия, причем при движении сверху вниз план прио ретает
71
1 Цягтиым случаем иерархической архи-
^ект'рьТ моЖНоТсчОптать архитектуру RBM (rational behavior
S) [ о Последняя постулирует, скорее, не состав и взапмо-
яз модулей, а логически обосновывает три уровня иерархии с
ф№ сированным распределением функций между ними. При этом
вопрос о способах реализации каждого из этих уровней остается
Процесс управления можно декомпозировать не на базе
внутреннего разделения действий, а на базе желаемых внешних
проявлений деятельности системы управления роботом. С этой
точки зрения можно выделить несколько уровней компетенции
пли слоев СУ. каждый из которых реализует определенное пове-
дение робота. Отклик каждого слоя основывается на текущих
сенсорных данных, а объектом действия является подмножество
объектов всей задачи. В результате действия робота определя-
ются некоторой композицией поведений, каждое из которых
формируется одним из слоев управления. В такой архитектуре
можно говорить о горизонтальном движении информации [9].
Основные требования
к программному обеспечению АНПА
Система управления автономного подводного робота должна
выполнять множество сложных задач обработки информации в
реальном времени, и, следовательно, удовлетворять определен-
ным функциональным требованиям.
Поддержка распределенных вычислений. В зависимости от
назначения АНПА система управления может выполняться на
ЛВС различной конфигурации. Требуется обеспечить простоту
взаимодействия подзадач, выполняющихся на различных процес-
сорах. Кроме того, при смене оборудования отдельные устрой-
ства могут переключаться с одного процессора на другой, что
должно гибко отслеживаться системой управления.
Поддержка изменений конфигурации ЛВС. СУ АНПА долж-
на легко наращиваться и модифицироваться по мере добавления
к аппарату новых сенсоров или появления новых задач
СУ ^кт^ХаН,аМаПриОритетов- Время pa6°™ м°ДУлей
работы апгопн различными интервалами времени. Время
упрХие пвижР°1У?аВЛеНИЯ НИЖНего УРовня (например,
каждый цикл v Н М измеРяется Десятками миллисекунд, и
Д цикл управления должен быть четко привязан к
временным ме™м. В ™ же ,ре„, рабоЧ|1й ц ™боХ7ь?с "«.«
72
уровней управления может занимать секунпы и па
Эти уровни не требуют столь точной привязки к МИНУТЬ)-
являются фоном для задач нижнего уровня КоХ”6"" "
немаловажное значение имеет такой nL Кр ,е того,
ПеРе/Х7ИЯ К°НТеКС;а Зада11 ^^ательно минимальное)ВРеМЯ
Надежность и предсказуемость системы. Поскольку АНПА
функционирует автономно и вмешательство оператора во в^ш
выполнения задания невозможно, то надежность^ “ Хеёт
определяющее значение. м имеет
Простота реализации и широта использования. СУ долж-
на допускать реализацию существующими средствами про
граммирования на доступных для АНПА вычислительных
ресурсах.
Гибридная программная архитектура
Примером архитектуры, объединяющей в себе в той или
иной степени свойства расслоенной и иерархической архитектур,
может служить гибридная архитектура, применяемая в аппаратах
ИПМТ ДВО РАН. Архитектура имеет три уровня (как и
архитектура RBM) со следующими функциями (рис. 2.9).
Нижний (исполняющий) уровень системы должен обеспе-
чивать рефлекторные функции аппарата. Для этого он содержит
полный набор регуляторов, драйверы бортовых устройств,
навигационную систему и процессы нижнего уровня контрольно-
аварийной системы. Последние должны обеспечивать безопас-
ность АНПА при непосредственной угрозе (появление воды в
контейнерах, состояние бортового питания, наличие препятствий
и т.п.). КАС нижнего уровня также содержит модель аппарата
для диагностики системы управления (выявления выхода из
строя измерительных элементов навигационной системы или
двигателей аппарата). Совместное функционирование программ
нижнего уровня обеспечивает движение АНПА в установленном
режиме и заданную работу бортовых устройств. Регуляторы и
КАС объединяются в расслоенную структуру управления. Из-за
малого количества слоев управления работа системы достаточно
очевидна.
Средний (координирующий) уровень системы служит для
непосредственного управления режимами и целями нижнего
уровня. Основная его задача заключается в согласовании потока
команд, целей и запросов на получение данных от верхнего
уровня и запросов на действия, поступающие от нижнего уровня.
73
Рис. 2.9. Организация уровней системы
Обработка запросов заключается в идентификации ситуации и
выборе заранее написанных правил обработки, которые состав-
ляют библиотеку обработчиков среднего уровня. Для координа-
ции действий обработчиков все они также объединены в
расслоенную структуру. В отличие от нижнего уровня структура
обладает переменным составом. Состав структуры для каждого
момента времени определяется планировщиком, входящим в
состав уровня. Объектом действия для расслоенных структур
среднего уровня является нижний уровень. Задача коорди-
нирующего заключается в изменении режимов работы для
процессов нижнего уровня иерархии.
Верхний уровень иерархии (.организационный) представлен
программой-заданием, содержащей цели запуска. Программа-
задание содержит описание последовательности действий и
режимов. Помимо этого возможно описание обработки запросов
нижних уровней.
74
Организация функционирования
контрольно-аварийной системы
и предстартовая проверка АНПА
Контрольно-аварийная подзадача является одним из наибо-
лее важных процессов в системе управления АНПА поскольку
безопасность аппарата должна поддерживаться на высоком
уровне. Система функционирует на двух уровнях: исполняющем
и координирующем. На исполняющем уровне осуществляется
слежение за состоянием АНПА и реализуются самые простые
кратковременные и безусловные реакции КАС. Координирую-
щий уровень содержит библиотеки обработки сложных аварий-
ных ситуаций. По области действия можно выделить внутренние
и внешние модули КАС. Внутренние модули отслеживают
состояние отдельных подсистем АНПА и его управляемость.
Типичный состав внутренних модулей приведен ниже.
Слежение за аварийными датчиками. К аварийным относят-
ся датчики наличия забортной воды в прочных контейнерах и
датчики уровня масла в компенсаторах забортных цепей.
Контролируются также время погружения с балластами и
максимально допустимая глубина.
Проверка напряжений источников питания. Необходима
постоянная проверка работы вторичных источников питания,
напряжения аккумуляторной батареи и оценка оставшихся ре-
сурсов.
Проверка состояния бортовых устройств. Все бортовые
устройства в том или ином виде тестируют свое внутреннее
состояние и генерируют соответствующие коды. Задача КАС
заключается в анализе этих кодов и предприятии соответствую-
щих действий в случае ошибок.
Анализ протекания процессов. Это одна из наиболее слож-
ных задач КАС. По функциональным признакам она раз и
вается на две подзадачи:
• анализ параметров движения;
• анализ некоторых внутренних параметров, косве .
рактеризующих работу бортовых устройств (помих о р
мого контроля кодов состояния). „оиРГТпа
Обе эти подзадачи необходимы для оцен
выполнения задания. В случае плохой управляемое_
выполнение задания становится невозможным, Л1 _лепую.
ным и опасным. Управляемость АНПА оценивае
щим параметрам:
75
Рис. 2.10. Принцип работы внутренних модулей КАС
• соответствие заданной глубине;
• соответствие заданной скорости;
• соответствие заданному курсу.
Как правило, многие аварийные ситуации взаимосвязаны и
появление одной из них вызывает появление нескольких других.
Для идентификации аварийных ситуаций все внутренние под-
программы КАС отслеживают рассогласования между моделью
соответствующего процесса и его реализацией. Используется
также отслеживание ошибки регулирования. Ситуация считается
аварийной, если это рассогласование превышает заданные
пределы в течение установленного интервала времени. В этом
случае генерируется соответствующий сигнал и следует фикси-
рованная реакция системы типа "если-то" (библиотека возмож-
ных ответов КАС находится на координирующем уровне). Су-
ществует возможность перехвата обработки некоторых ситуа-
ций пользователем (см. п. 2.4.1). Блок-схема функционирования
КАС приведена на рис. 2.10.
Внешние модули отслеживают возможную угрозу окру-
жающей среды по отношению к аппарату. Как правило, угрозу
представляют различные препятствия. Реакция системы также
строится по принципу "если-то" и инициируется, если модули
коррекции движения исполняющего уровня не в состоянии
управлять АНПА в сложной обстановке.
76
Предстартовая проверка АНПА
ф^хх6тТмо у—в
зом п аппарат полностью гото7 к вьГ/н^Х^^я0^-
ГО необходимо провести полное тестирование АНПА Все тести’
рующпе и контролирующие функции на аппарате выполняет
КАС. Она обеспечивает отслеживание состояния всех блоков и
систем и организует адекватную реакцию в случае обнаружения
неисправности. Таким образом, для выявления неисправностей
достаточно запустить аппарат в таком режиме, когда работают
все блоки, нуждающиеся в проверке. Этот режим ничем не
отличается от рабочего функционирования аппарата за исклю-
чением того, что аппарат находится на воздухе, а не в воде. По
этой причине двигатели работают без нагрузки, датчики движе-
ния не функционируют, а акустические системы находятся в
нештатных условиях. Внешний контур управления, замыкаю-
щийся через среду, отсутствует. Для реализации данного режима
предусмотрены специальные средства, включающие ускоренную
прогонку программы-задания и имитацию движения.
Режим палубной проверки отличается от рабочего тем, что
программа-задание выполняется в несколько раз быстрее. Это
позволяет, во-первых, сократить время многочасовых программ
до приемлемых величин (минуты и десятки минут), а во-вторых,
вовлекает в процесс тестирования только те блоки, которые
будут использоваться во время готовящегося погружения.
Для осуществления ускоренной прогонки программы-задания
используются средства имитации движения. В этом режиме КАС
подменяет реальные параметры движения вычисляемыми на
основе заданных значений. Управляющие коды регуляторов в
соответствии с заложенной моделью движения преобразуются в
текущие навигационные параметры. На рис. 2.10 точками пока-
зан путь модельных параметров движения в режиме имитации.
Эти величины подменяют реальные значения датчиков, не
работающих на воздухе. Изменение этих параметров тем самым
имитирует движение аппарата. Текущие данные выводятся на
экран терминала, что дает возможность следить за ход
выполнения программы. „,,гПаппт
С учетом сказанного выше методика тестирован
'"Т.^ч’Х’аНПА „
грамма-задание. Миссия должна быть р Р
отлажена в среде судового симулятора,
77
2) миссия запускается в режиме форсированной про, онки.
При этом длительность выполнения программы-задания
выбирается такой, чтобы обеспечивалось минимально
необходимое время работы для каждого из тестируемых
блоков (используемых при погружении). Иными словами,
скорость прогонки программы не должна быть слишком
высокой;
3) система управления АНПА выполняет введенное задание.
При этом включаются и выключаются все задействован-
ные в задании бортовые устройства, работают двигатели и
т.п. Во время работы КАС постоянно тестирует потреб-
ляемые токи и коды состояния устройств. Полученные
данные анализируются. При возникновении неисправ-
ностей в бортовой журнал заносится соответствующая
запись. Одновременно эти записи дублируются на консоли
оператора для привлечения внимания;
4) после окончания имитации содержимое бортового жур-
нала должно быть проанализировано. При наличии заме-
чаний КАС о работе должны быть предприняты меры по
выявлению причин неисправности указанных устройств.
Ускоренная прогонка считается проведенной успешно,
если в процессе работы КАС не сделала серьезных заме-
чаний. В противном случае аппарат не удастся запустить в
рабочем режиме, поскольку СУ помечает данную про-
грамму-задание как непроверенную (то же самое будет и
при запуске программы-задания в рабочем режиме без
предварительной симуляции).
2.4. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАДАНИЙ ДЛЯ АНПА
Описание задачи, которую должен выполнить АНПА во
время запуска (а также как он это должен сделать) представляет
собой программу-задание или миссию АНПА. Миссия готовится
3anvcKn£Twnla ™мпьютеРе судового поста оператора перед
так и madi иссия может быть описана как языковыми,
так и графическими средствами.
Языковые средства программирования миссии
мис?иеиПАНПАВиеп ° ЯЗЫКОвЬ1е ^дства для программирования
™ ™“Пользуются редко, поскольку требуют доста-
высокои программистской квалификации и сложны для
78
конечных пользователей АНПА. Применяемые языки обладают
Х7слгСтТр/СоГ°ПСРаЦИОННОЙ Ct—°а- Примерами
могу г служить PROLOG, применяющийся в "NPS PHOFNIX" и
ESTERS в аппарате "VORTEX" [11]. в аппаратах иймт ДВО
РАН для программирования миссий используется библиотека
функции языка С. Применение языка С позволяет создавать
эффективные программы-задания. При этом имеется возмож
ность использовать библиотеку готовых модулей, описывающих
наиболее употребительные траектории движения АНПА
Движение вблизи грунта в режиме стабилизации высоты
является одним из основных режимов работы АНПА, поэтому
данная функция встроена в исполняющий уровень системы
управления. Для осуществления движения исполняющему уров-
ню системы управления вполне достаточно указать направление
движения и высоту стабилизации. Таким образом, траектория
движения АНПА задается как кривая (ломаная) на плане
местности. Для решения обзорно-поисковых задач (исследование
физических полей, поиск и обследование различных объектов и
т.п.) на борту имеется комплекс измерителей физических ве-
личин и возможность использования их показаний в алгоритмах
рабочего задания робота. Рабочее задание состоит из программы
движения и включенной в нее программы работы бортовых
устройств. Первая из них определяет параметры элементов,
составляющих траекторию, вторая строится на основе первой и
описывает работу бортовых устройств во время реализации
траектории. Эта программа не может осуществляться незави-
симо от программы движения. Набор системных процедур и
процессов можно разбить на несколько групп (рис. 2.11).
К первой группе относятся примитивы, определяющие
параметры элемента траектории (галса). Например, функция
int TACK_XY(float х, float у, float velocity, int stab_mode, float
altitude_depth'); определяет координаты целевой точки и
параметры движения АНПА. При обращении к процедурам этой
группы управление возвращается только после выполнения
очередного галса. Этим достигается синхронизация х°Да
программы-задания и работы исполняющего уровня, о ™а
группе относятся системные процессы, которые “У*3
управления бортовыми устройствами и задания определя_ -
параметров управляющих программ робота. роцедур иного
для запуска (прекращения) процесса работы тог после 11х
устройства и возвращают управление сра У ,зоваН11Я
выполнения. Примером могут являться Ф-ун^‘
ГБО: int USE_SSS(char* initjannsY. voidNO_USE_SSS (votd).
79
Рис. 2.11. Набор примитивов программы-задания
Третья группа процедур позволяет снимать текущие
значения параметров движения и состояния окружающей среды.
Эти процедуры служат для организации обратных связей и
необходимы при выполнении обзорно-поисковых работ и
решении различных задач управления. Например, функция float
GET_T(yoid) позволяет получать температуру забортной воды.
Четвертая группа процедур служит для организации сложных
поисковых движений. Выражение их в терминах примитивов
движения и функций обратных связей сложно и чрезвычайно
увеличивают объем программы-задания. Поэтому реализация
этих алгоритмов вынесена в исполняющий и координирующий
уровни системы управления. На уровне программы-задания
остается лишь момент их инициализации. Например, функция int
SEARCHlfloat х, float у); инициализирует выполнение программы
поиска объекта в окрестности точки с координатами (х, у).
Инструменты поиска определяются функциями использования
бортовых устройств. Параметры движения АНПА устанавли-
ваются процедурой автоматически. Функция возвращает поло-
жительное значение в случае успеха (обнаружения контакта).
Программа-задание предусматривает жесткую синхронность
движения АНПА и работы его бортовых устройств. Тем не
менее существуют различные внешние и внутренние события,
которые являются асинхронными по отношению к ходу выпол-
80
пения программы и которые должны быть обработаны. Реакция
на них и любом случае прерывает нормальное течение про-
граммы. Система управления предусматривает три типа реакций
на все выделяемые события:
• возбуждение через систему КАС какой-либо аварий-
ной ситуации, связанной с неполадками в бортовых сис-
темах;
• прием команды телеуправления;
• выделение объекта поиска с помощью одной или несколь-
ких обнаруживающих систем.
Для первых двух типов предусмотрена стандартная обработ-
ка в рамках системы управления, и, как правило, они не нуж-
даются в описании на уровне программы-задания. При состав-
лении задания необходимо предусматривать обработку лишь
сигналов от систем обнаружения.
Описание установки реакции имеет вид:
void SIGNALAjnt signo, void (ffunction)(inr)),
где signo - имя одного из зарегистрированных запросов,
function - режим обработки запроса.
Допускается установка трех типов реакции на запрос:
• стандартная реакция системы;
• игнорирование запроса;
• организация обработки запроса на уровне программы-
задания.
Графические средства программирования миссии
Графические редакторы и графические языки обеспечивают
доступность и наглядность программирования. Так, в отладоч-
ном стенде "OTTER" применяются средства имитирования окру-
жающей среды и самого робота. Действия оператора сводятся к
выбору объектов из этой среды и выдачи для робота соот-
ветствующих инструкций типа "перейди туда-то", "следи за
указанным объектом". С другой стороны, формально составлен-
ного плана действий и, следовательно, языка программирования
для этого робота не существует.
В A UV "Odyssey" оператор строит задание из блоков типа
"обследовать площадь", "двигаться на акустический источник .
Блоки связываются условными переходами, определяющими их
выполнение. Каждый блок представляет собой конфигурируе-
мую расслоенную структуру (содержит таблицу статической
конфигурации), которая сама определяет надлежащее поведе-
Автономные
Рис. 2.12. Графический редактор миссии
ние. Понятие "поведения" включает простую миссию, параметры
отслеживания дна и огибания препятствий.
При составлении заданий для AUV "FetchV' используется
графический язык G системы программирования LabVIEW
(National Instruments) [12]. Так же как и для аппарата "Odyssey",
задание строится из графических объектов (virtual instruments,
VI), которые соединяются между собой соответствующими
связями. При инициализации каждого из VI на экране компью-
тера появляется связанная с ним таблица. От оператора тре-
буется заполнить выведенные на экран таблицы.
В аппаратах ИПМТ ДВО РАН применяется графический
редактор-надстройка над языком составления миссий. Приме-
нение графического редактора, позволяющего "рисовать"
желаемую траекторию на экране дисплея, делает программи-
рование АНПА достаточно простой процедурой [1]. Использо-
вание графического редактора сводит составление задания к
нанесению траектории необходимой формы в желаемом месте
карты района работ (рис. 2.12). Одновременно графическое
представление преобразуется в текст программы, пригодный к
дальнейшей обработке компилятором. Такой подход не требует
82
применения средств симуляции полученной
поскольку она заведомо не содеХ ' ° "РогРаммььзадания,
тельных ошибок. Следует заметить однако 1еСКИХ и вь,числи-
дактора существенно ограничивает’ исполь^^иГХнТиаль’
ных возможностей языка программирования. П0Те»Циаль-
Сети Петри в программировании миссии
Сети Петри при составлении задания для робота находят все
большее применение. Это связано с проблемой верификации
как самой программы-задания, так и совокупности задание и СУ
АНПА. Использование сетей Петри предполагает развитый гра-
фическии интерфейс оператора. В работе [16] предлагается
применение системы ORCCAD для поиска логических тупиков и
зацикливаний в системе управления робота и в программе-зада-
нии. Для этого используются сети Петри. Для каждой подзадачи
доказывается то, что:
• отсутствуют зацикливания;
• подзадача достигает завершения из любого своего состоя-
ния, в которое она может попасть;
• все исключения (сигналы) обрабатываются надлежащим
образом.
Идеология использования сетей Петри положена в основу
построения системы управления АНПА "MARIUS" [14]. При
разработке системы управления заданием преследовалась цель
создания трех основных средств:
• составления задания на языке высокого уровня с последую-
щим преобразованием его в план миссии;
• преобразования плана миссии в программу-задание с после-
дующей формальной проверкой и выполнением в реальном
времени;
• слежения (трассировки) за ходом выполнения программы-
задания.
Основу этой методологии составляет понятие примитивов
АНПА, которые представляют собой параметрическую спе-
цификацию элементарных операций, выполняемых аппаратом.
Каждый из примитивов является результатом скоординиро-
ванного взаимодействия системных задач. Выполнение при
митивов АНПА инициализируется как процедурами миссии.
выполнение которых в свою очередь определяется программе!
заданием, так и какими-либо внешними событиями.
миссии соответствуют логическим связям примитивов
используемых для организации одного действия робота.
83
2.5. ВЕРИФИКАЦИЯ СОСТАВЛЕННОЙ ПРОГРАММЫ-ЗАДАНИЯ
Проверка правильности составленного задания до загрузки
его в аппарат является одним из ключевых моментов подготовки
запуска. Перед запуском АНПА необходимо убедиться в логи-
ческой корректности введенного задания (соответствии задания
поставленным задачам). Данная задача выполняется двумя спо-
собами:
• симуляцией задания (прогонка задания на имитаторе):
• проверкой с помощью сетей Петри.
Симуляция с использованием модели внешней среды
Для интерпретации составленных программ-заданий симуля-
тор содержит модель системы управления, динамическую модель
аппарата и модели измерителей физических величин (рис. 2.13).
Симулятор миссии используется в двух режимах. Первый
(более простой) применяется собственно для предстартовой си-
муляции миссии, второй (более сложный) используется для
отладки алгоритмов управления движением АНПА. Этот же
режим может быть использован для организации тренажеров
операторов АНПА.
База данных. Содержит данные о рельефе, температуре,
электропроводности, течениях и т.п. Данные могут вводиться
как из файлов накопителя данных АНПА, так и генерироваться
произвольным образом. В последнем случае используется среда
моделирования ландшафта, позволяющая задавать произволь-
ные формы рельефа (рис. 2.14).
Модель СУ имитирует работу регуляторов, алгоритмов дви-
жения и некоторые контрольно-аварийные функции. Для этого
Рис. 2.13. Симулятор программы-заданни
84
Рис. 2.14. Представления результатов работы систем моделирования (слева) и симуляции миссии (справа)
она содержит постоянную и переменную части. Постоянная
часть выполняет контрольно-авариппые функции п служи; для
организации интерфейса с программой-заданием п моделями
датчиков. Переменной частью являются собственно отлаживае-
мые регуляторы и алгоритмы движения. Исследуемые алго-
ритмы обмениваются с постоянной частью данными п коман-
дами через специализированный интерфейс. Модель СУ поддер-
живает также работу накопителя данных.
Модель аппарата включает в себя динамическую модель,
формирующую вектор состояния, и модель движительнои уста-
новки. Вектор состояния АНПА используется моделями изме-
рителей для формирования выходных данных. Для работы
измерителей требуется также информация базы данных.
Система симуляции функционирует циклически. Каждый
цикл включает следующую последовательность операций:
•получение заданных значений параметров движения от
программы-задания;
• опрос датчиков движения и физических величин;
• формирование управления;
• расчет вектора состояния;
• сохранение текущего вектора состояния;
• расчет выходных данных измерителей (при этом каждый
измеритель формирует запрос к базе данных).
Следует отметить, что используемые модели СУ и АНПА
определяет текущая задача симуляции. Для верификации миссии
используются простые модели. Отладка алгоритмов управления
производится с использованием точной динамической модели
АНПА и трехмерным описанием среды. Для работы симулятора
миссии в такой конфигурации требуются достаточно мощные
вычислительные системы. Соответственно, различными явля-
ются представления результатов симуляции. Результаты интер-
претации миссии (или алгоритмов управления) отображаются в
графическом виде, оцениваются визуально (рис. 2.14), а также
могут быть проанализированы по записям накопителя данных.
Отлаженная миссия загружается в аппарат.
Использование сетей Петри
для верификации программы-задания
П°дход с использованием cerefi Петри в качестве фор-
мтемАйаППараТа ДЛЯ ГЛУ6°КОГО И полиого тестирования фор-
мируемой программы-задания известен не так давно [1] Для
86
составления задания используется специализированный графи-
ческий язык программирования, похожий по синтаксису на язык
SDL. Графический язык позволяет разрабатывать программу-
задание в терминах поведения высокого уровня. У
Графическая среда позволяет работать с сетями Петри в
композициональном стиле и включает в себя следующие состав
лякицие:
базовый редактор, позволяющий "рисовать" сети Петри в
окнах системы с помощью стандартных операций;
алгебраический редактор, позволяющий строить сети Пет-
ри набором алгебраических операций;
архитектурный редактор, предназначенный для манипу-
ляций сетями (объектами и процедурами) в схематической
форме;
подсистему анализа, предназначенную для анализа сетей
Петри на стандартные свойства (наличие тупиков, огра-
ниченность и т.д.);
подсистему визуализации функционирования сетей Петри,
позволяющую имитировать срабатывание переходов сетей
и менять их маркировки.
Стандартные действия АНПА укрупнены и параметри-
зованы в виде функций, понятных конечному пользователю. Они
также "скрывают" от него представление стандартных действий
АНПА в терминах сетей Петри. При этом стандартные действия
АНПА изображаются в виде пиктограмм, а миссия формируется
в виде общепринятых графических диаграмм. Графическая среда
для формирования миссии включает в себя транслятор в язык
программирования АНПА, верификатор и модель АНПА. Кро-
ме того, она включает графический редактор для программиро-
вания миссии, редактор графических объектов и редактор сетей
Петри для формирования модели АНПА и сетевого представ-
ления графических объектов.
Модель АНПА представленная в виде сети Петри, включает
в себя*
• описание используемых физических устройств АНПА (фи
зические характеристики устройства и особенности его
взаимодействия с другими устройствами),
• описание функциональной модели аппарата (назн
аппарата, особенности его применения),
• описание системы программного управления а п
(принципы построения системы программист у р
взаимодействие с физическими устройствами);
• описания драйверов системы.
87
Описание АНПА поступает в виде списка ограничений на
действия которые он может совершать. Это неформальное
описание преобразуется в формальную функциональную модель
аппарата с применением компознцпональных возможностей и
предикатов. В соответствии с полученным набором функций
программным образом строится прототип модели работы драй-
веров аппарата. В данной версии принята модель, предпола-
гающая, что АНПА может выполнять действия без ограниче-
ний на последовательность их выполнения, но одновременно
могут выполняться только действия из различных групп. Эти
группы в модели аппарата отображаются отдельными сете-
выми объектами. Также предполагается абсолютно коррект-
ная работа системы программного управления и драйверов
устройств.
Две построенные модели - функциональная и работы драй-
веров - объединяются в модель аппарата, которая в дальнейшем
применяется для верификации программ-заданий. Она пред-
ставляет собой композицию сетевых описаний драйверов уст-
ройств и функциональной модели аппарата. Построение модели
АНПА производится администратором системы посредством
соответствующего редактора. Редактор позволяет создавать,
редактировать и удалять сетевые объекты.
2.6. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ
РЕАЛЬНОЙ МИССИИ АНПА
В качестве примера приведем записи хода выполнения
реальной миссии. Задание для АНПА состояло из
следующих основных этапов:
1) погружение;
2) выход под водой по счислению в точку с относительными
координатами (250, -1100);
3) переход на стабилизацию высоты 1,5 м-
4) включение поисковой системы (в данном случае фото-
системы); т
) та шшгкя'ИЯ СТаНДарТН°Й пР0ГРаммЬ1 отслеживания объек-
та поиска в случае его обнаружения-
= ^-«тор™ ™„а "квадрат" (правый
квадрат, направление первого галса 315°)-
SSS"' • "схо,н,ю точк’-
Текст миссии выглядит следующим образом.
88
void MISSION (void)
(
#define HZ 315
Adeline VZ 0.34
Adeline VZO 0.2
Adeline HZ 1.5
float ft, x, y;
int j;
// I. Погружение. Устанавливаем начало относительной
динат писнтельной системы коор-
SET_ORIGIN_XY(“ 13 IEO6.38O" "42N39 202’’г
DIVING( 1,0,0); ’ ’’
x=GET_X(y); y=GET_Y(); //Запоминаем точку старта
GALS_XY(250,-l 100,VZ,DSM,8); //Движение к началу поискового квадрата
//2. Поисковый квадрат
USE_STZ( 2 ); И Включаем фотосистему
5KHBaHraNAL(SIG-STZ’SIG_DFL); //УстаН0ВКа станДаРтной программы отсле-
fi=FIZ;
for (j=0;j<4;j++) {
POSITION! 1 *60*60,fl,0,0,VZO,ASM HZ)’
fi+=90; ’ ’
) //Окончание поискового квадрата
NO_USE_STZ();
SIGNAL(SIG_EMI,0);
// 3. Возвращение в стартовую точку
GALS_XY(x,y,VZ,DSM,8);
)
Результаты предстартовой симуляции миссии приведены на
рис. 2.15, Приведены вертикальный (вверху) и горизонтальный
(внизу слева) профили движения. Ввиду того, что координаты
точки старта на момент симуляции точно неизвестны, то точка
старта (и, соответственно, точка возвращения) по умолчанию
имеет координаты (0,0).
Ниже приводится выдержка из бортового журнала выпол-
нения миссии.
23 : 18 : 36 - НАЧАЛО НОВОЙ МИССИИ - Пятница Ноябрь I 23 : 18 : 36
2002
23 : 18:36 Интегратор тока перед запуском 88.4 а*ч
23: 18:39 GPSO'K. Координаты: 131Е06.435 42N38.339Time=5l5891
23 : 20 : 14 Отстыковка кабеля
23 : 37 : 04 АНПА спущен на воду
23 : 37 : 15 Аварийный таймер установлен на 300 мин
23 : 37 : 26 Старт миссии. Глубина = 0,38
23 : 37 : 26 Интерпретатор ТУ ВКЛ. Шаг 20 мин.
89
Рис. 2.15. Предстартовая симуляция миссии
23 : 41 06 I алс по КООРДИНАТАМ
250,-1100
23 , 49 : 16 СТЗ ВКЛ. Период 2 с
23 : 49 : 16 Установлен алгоритм отслеживания объекта
23 : 49 : 16 1 алс в ПОЗИЦИОНИРОВАНИИ стабилизация по двум
локаторам.h/=l5 6=315
00:11 : 29 Контакт СТЗ #1, ориспт 39(-51) град, смещение: 0.39 п>
00 : 11 . 29 Старт программы переднего плана
00:11 : 29 Старт программы обработки контакта. Общее время: 120 пип
00: 14 : 54 Контакт СТЗ #10, ориеит: 78(— 12) град, смещение: 0.06 m
00 : 17 : 37 Контакт СТЗ #25, ориеит: 3(93) град, смещение: 0.21 m
СО Стабилизацией глубины. hz=8.0
00: 18:41 Контакт СТЗ #28, ориеит: 0(90) град, смещение: 0.03 m
00: 58 : 31 СТЗ: объект потерян
00 : 58 : 31 Конец программы обработки контакта
00: 58 : 31 Выход из программы переднего плана
00 : 58 : 31 Миссия будет удлинена на 2822 сек
01 : 07 : 25 Получена команда ТУ #7
01 : 07 : 25 Целевой курс 158.3 deg, скорость 0.0
01 : 07 : 25 Галс в ПОЗИЦИОНИРОВАНИИ стабилизация по двум
локаторам. hz=1.5 fi=l 58
01 : 28 : 33 Получена команда ТУ #10
01 : 28 : 33 Начата программа всплытия
01 : 28 : 33 Интегратор тока после запуска 49.6 a*h
01 : 28 : 34 СРМ ВКЛ, Глубнна= 0 m, Дифферент^ 1.6 deg
Отметим особенности реализации режима отслеживания
протяженного объекта. Управление формируется на двух
уровнях иерархии (рис. 2.16). Основной вычислительный процесс
осуществляется на исполняющем уровне системы в компьютере
обработки видеоизображений (СТЗ). В задачи компьютера
входит выделение протяженных объектов, присутствующих на
последовательно отснятых фотокадрах и определение их пара-
метров (факт наличия, ориентацию и смещение относительно
центра кадра) [4]. Через соответствующий драйвер компьютер
СТЗ обменивается данными, командами и запросами с ядром СУ
АНПА (посредством распределенной базы данных).
При отсутствии в отснятых кадрах протяженного объекта
работа компьютера СТЗ никак не сказывается на выполнении
основной миссии АНПА. При обнаружении объекта форми-
руется соответствующее сообщение к вышестоящему (координи-
рующему) уровню иерархии. В зависимости от состояния Пла-
нировщика это требование может быть отклонено, поставлено в
91
Рис. 2.16. Взаимодействие уровней системы при отслеживании
очередь или немедленно исполнено. В последнем случае выпол-
нение программы-задания приостанавливается и активизируется
процедура обработки. В нашем случае это стандартная про-
цедура обработки, заключающаяся н организации отслеживания
объекта. После завершения отслеживания объекта программа
координирующего уровня дезактивируется и возобновляется
выполнение миссии.
Из бортового журнала видно, что в 23 : 18 : 39 аппарат
получил свои текущие координаты с использованием спут-
никовой навигационной системы (GPS). В 23 : 37 : 04 АНПА был
спущен на воду. В 23 : 41 : 06 началось выполнение первого галса
миссии - движение в точку (250,-1100). В 23 : 49 : 16 точка была
достигнута. В этот же момент была включена фотосистема и
установлена процедура обработки возможных контактов - стан-
дартная программа отслеживания объекта. АНПА лег на курс
315°. В 00: И : 29 был зарегистрирован контакт с объектом и
аппарат перешел к его отслеживанию (рис. 2.17). На рисунке
видно, что первоначальное пересечение протяженной линии
произошло под углом, близким к 90°. До 00 : 58 ; 31 аппарат
двигался вдоль протяженной линии, осуществляя ее фотосъемку,
92
Рис. 2.18. Траектория АНПА, полученная по счислению
затем объект был потерян из-за ухудшившихся условий види-
мости. Программа отслеживания была завершена, и АНПА
возвратился к выполнению прерванной части миссии (движению
курсом 315°). В 01 : 07 : 25 на аппарат стали подаваться акусти-
ческие команды телеуправления с целью выведения его к судну.
К 01 : 28 : 33 АНПА оказался вблизи судна, и была подана ко-
манда на всплытие.
Полученная по счислению траектория движения с нанесен-
ным положением кабеля приведена на рис. 2.18. Направление
первого галса отличается от направления, полученного в резуль-
93
тате симуляции из-за того, что на момент старта аппарат
находился примерно в точке (800, -800).
На рис. 2.19 приведен фрагмент данных из бортового
накопителя, соответствующий моменту отслеживания протяжен-
ной линии. Из графика видно, что среднее направление линии
(курс АНПА) постепенно уменьшается, т.е. линия имеет изгиб.
Широкое использование АНПА в научных, коммерческих и
военных целях предполагает наличие систем управления, не
требующих для своего обслуживания высокой квалификации
операторов. Влияние "человеческого фактора" на результаты
работы АНПА должно быть сведено к минимуму. В связи с этим
следует ожидать, что в ближайшее время СУ будут интенсивно
развиваться в двух направлениях. Первое заключается в фор-
мировании дружественного графического интерфейса оператора
для обслуживания АНПА и задания миссии.
Общение с АНПА должно быть простым, обеспечивать
защиту от человеческих ошибок, а выбор различных режимов
функционирования- максимально автоматизирован. Второе
направление предполагает дальнейшее развитие системы само-
диагностики бортовых устройств АНПА. Тестирование борто-
вых устройств должно происходить автоматически и также не-
зависимо от оператора.
Глава 3
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
НАВИГАЦИИ И СВЯЗИ
3.1. СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ
ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Гидроакустические системы навигации
Разработка АНПА естественным образом влечет за собой и
разработку разнообразных технических средств, обеспечиваю-
щих как безопасную эксплуатацию аппарата, так и наиболее
эффективное его использование. В этом комплексе технических
средств гидроакустические средства занимают особое положение
в силу специфики работы самого аппарата. В их числе первыми
были разработаны гидроакустические навигационные системы
различного типа.
Достаточно подробный обзор отечественных и зарубежных
разработок гидроакустических навигационных систем приведен в
работах [1; 2]. По принципу действия разделяют системы,
основанные на измерении дальностей до объекта навигации от
системы опорных точек (с длинной или короткой базой), и
системы с использованием дальномерных и угломерных данных.
Последние называют системами с ультракороткой базой, а нави-
гационная задача решается в результате определения в текущей
точке дальности, пеленга и угла места объекта навигации.
Первая гидроакустическая навигационная система ИПМТ
ДВО РАН, разработанная в 1973-1975 гг. для навигации АНПА
"Скат", была дальномерной с длинной базой (ГАНС-ДБ) и
предназначалась, как и сам аппарат, для работы в мелком море
на шельфовых глубинах. Основу системы составляли радио-
гидроакустические буи с заякоренными донными акустическими
приемниками. В дальнейшем при создании глубоководных
аппаратов был разработан ряд модификаций глубоководной
дальномерной ГАНС. Ее основу составили донные маяки-ответ-
чики, синхронный передатчик, устанавливаемый на ооъекте
навигации, приемопередатчик и судовой блок обработки навига-
95
ционной информации, устанавливаемые на обеспечивающем
судне Система имела технические характерце inkii. близкие к
техническим характеристикам известных зарубежных аналогов.
Теоретические аспекты разработки системы были изложены в
работе [3]. ,
Заметный прогресс в определении аосолютных координат
объекта был затем связан с комплектованием ГАНС и
спутниковой навигационной системы GPS. а также с отработкой
методики привязки маяков-ответчиков к абсолютным коорди-
натам с использованием метода проходных характеристик.
Наиболее сложными при разработке ГАНС-ДБ оказались
вопросы, связанные с увеличением дальности действия за
пределы ближней зоны акустической освещенности в глубоком
море. Развитие системы оказалось связанным с решением
проблемы дальней гидроакустической навигации в условиях
рефракции, а также с решением проблемы точной навигации в
мелком море в условиях сильно развитой многолучевости.
В настоящее время ГАНС-ДБ является хорошо освоенным и
надежным навигационным средством и, видимо, еще долго будет
обязательной в составе обеспечивающего оборудования АНПА
[4-6]. Однако очевидно, что применение маяков-ответчиков и,
тем самым, жесткая привязка к району работ оправданы только
в тех случаях, когда необходимы многократные пуски АНПА в
одной точке или предъявляются повышенные требования к
точности навигационного обеспечения. В иных случаях предпоч-
тительнее использовать гидроакустическую навигационную сис-
тему с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ). Эти системы были
разработаны позднее ГАНС-ДБ, однако в силу простоты и
удобства в эксплуатации приобрели достаточно высокую попу-
лярность при обеспечении подводных работ с самыми различ-
ными техническими системами, снабженными маяком-ответчи-
ком, либо пингером.
Система с ультракороткой базой не содержит маяков,
поэтому дешевле и требует меньше времени на подготовку ее к
ра оте. Обычно ГАНС-УКБ кроме синхронизированного
источника навигационного сигнала, устанавливаемого на борту
объекта навигации, включает подводный модуль с мало-
габаритной приемной антенной, опускаемый на кабель-тросе с
°беспечивающего судна, средства обработки и отобра-
°РТУ судна- ®сновное устройство системы - много-
Приемная антенна, габариты которой сравнимы с
дл ной волны навигационного сигнала. На основе обработки
96
амплитудно-фазовой информации в каналах антенны опреде-
ляются дальность, азимут и угол места объекта навигации Ан-
тенна снабжается дополнительно датчиками ее угловой ориен-
тации (курс, крен, дифферент), а навигационные параметры
получают в результате совместной обработки всей совокупности
данных. Далее эта информация представляется в виде траек-
тории АНПА с привязкой к географическим координатам, если
по данным GPS известны координаты приемной антенны К до-
стоинствам УКБ-систем следует отнести и то, что навигация
АНПА может быть обеспечена в режиме движения обеспечи-
вающего судна с определением текущего местоположения
АНПА, совершающего длительный переход.
Основными характеристиками навигационной системы явля-
ются дальность действия, точность и скорость развертывания.
При оценке дальности следует исходить из того, что на АНПА
установлен источник навигационных сигналов, работающий как
маяк, синхронизированный с бортом ОС (детально оценки
дальности исследованы ниже, в разделе 3.2). При оценке точно-
сти навигационных систем следует отметить, что важнейшим
параметром является точность измерения дальности, которая в
свою очередь определяется точностью задания эффективной
скорости звука. При учете всех факторов, определяющих струк-
туру звуковых лучей в районе работ, и при наличии соответ-
ствующего методического и программного обеспечения, оценка
относительной погрешности определения скорости звука может
достигать КГ3-1 (Н [7]. Эта оценка, по сути, является оценкой
погрешности определения дальности и, соответственно, по-
грешности определения местоположения АНПА для систем с
длинной базой, информационной основой которой являются
дальности.
При оценке современного состояния навигационных гидро-
акустических систем можно заметить, что ГАНС обеспечи-
вают навигацию технических средств в диапазоне от десятков
метров до десятков километров. Общая тенденция - выпуск
навигационных средств, позволяющих в произвольной конфи
гурации работать в режиме дальнометрии или режиме угловых
измерений. »__
В длиннобазовых системах оценки относительной гр>
ности фактически находятся на уровне, которьп 'л _
еще 20 лет назад. Иначе дело обстоит с точность У Р да
кобазовых систем. Для первых разработок - состав-
характерна высокая погрешность угловых изм р
7 Автономные
97
пяющая единицы градусов. Поэтому основные усилия ведущих
фирм по развитию УКБ-систсм направлены на увеличение
точности. Так или иначе, все эти усилия связаны с разраСчнкой
новых приемных антенн и базируются на совершенной системе
построения аппаратных средств и обработки данных^ За послед-
нее десятилетие погрешность снижена от 1 -2 до 0, ,. .
УКБ-системы давно и успешно разрабатываются рядом
иностранных фирм: Simrad (Норвегия), Sonardyne (Великобри-
тания), Sonatech, EDO corporation Trackpoint, Nautronix (США).
При анализе публикаций и рекламных проспектов зарубежных
фирм [8-10] можно разделить разработанные УКБ-системы на
три группы. К первой группе можно отнести системы HPR400
(Simrad), NS-031 (Sonatech), ATS-SO2, RS902-916 (Nautronix), Тгаск-
pointll (ORE International), для которых погрешность определения
направления составляет 0,1°-0,3°. Во второй группе систем,
включающей HPR309ST (Simrad), NAVTRAK 406 (Edo Western
corp.), погрешности определения направления составляют 0,5°-
1,0°. Во всех известных УКБ-системах используемая аппаратура
выпускается ведущими специализированными фирмами. Отдель-
но можно выделить усилия организаций, которые, видимо, само-
стоятельно создавали ГАНС для обеспечения своих работ - это
Харбинский университет и Массачусетский технологический
институт. Последний приводит данные о разработке и испытани-
ях ГАНС-УКБ для мелкого и глубокого (RATS) моря. Система
RATS обеспечивает разрешение по углу 0,25°, а точность состав-
ляет 1,46°. Фирма ORE International выпускает недорогой ком-
плект аппаратуры LXT. В технических характеристиках этой
системы приведены следующие данные: разрешение по азимуту
составляет 0,1°, а угловая точность - 5°. Разделение точностных
характеристик систем (разрешения по углу и точности определе-
ния угла) становится понятным, если учесть, что система обеспе-
чивает измерение угловых величин по всему горизонту в диапа-
зоне 0-360 , а при градуировке антенны во всем диапазоне углов
формируется значительная систематическая составляющая по-
грешности. Некоторые данные об известных УКБ-системах све-
дены в табл. 3.1, причем выделены сведения о характеристиках
приемных антенн. г н
Нз отечественных разработок ГАНС-УКБ известны сведе-
ния о разработках ЦНИИ Морфизприбор, Санкт-Петербург-
м госУДаРственного морского технического университета,
МГТу7маи^екН°Л0ГИИ Российской академии наук, НИИ СМ
mi 1 у им. Н.Э.Баумана.
98
______Га("""“ °",оп,,ые характеристики УКБ-систем
Напмсиова ние Р.нрабо г ЧИК, при- менение Характеристики прием- ной антенны Характеристики систе- мы
POSIDONI A USBL MORS (Фран- ция), UV Victor Две ортогональных пары гидрофонов с увеличенной базой и устранением фазовой
Дальность до 8000 м, погрешность 0,5% от наклонной дальности
неоднозначности за
счет измерения раз- ности времен прихода
ORE LXT System ORE Internatio- nal (CHIA), ROV, AUV Диаметр антенны около IX Рабочая частота - 22-30 кГц, погреш-
RATS ность измерения ази- мута - 5°, угловое разрешение-0 1°
WHOI (США),
Планарная антенна Дальность - 3600 м.
AUV "REMUS" из 8 гидрофонов, раз- угловое разрешение -
деленных на две труп- ±0,25°, угловая пог-
пы по 4, для точного и грубого пеленго- вания. Общий корпус диаметром 200 мм решность-±1,46°
NS-031 SONATECH Гидрофоны антенны Дальность 9000 м.
(США) образуют ортого- угловая погрешность
наивные пары с раз- менее 0,5° для широ-
мещением элементов ко-полосного сигнала
на базе 3-5Х. Неодно- значность устраня- ется применением широкополосных сигналов и 0,1“ для тонального
RS 910 NAUTRONIX Шестиэлементная ан- Погрешность - 0,25%
(США) тенна, разделенная на от наклонной дально-
две группы по 3, для точного и грубого пе- сти ।
ленгования 1
ATS-2000 NAUTRONIX Пятиэлементная ан- Рабочая частота 15- '
(США) тенна с общим корпу- 18 кГц, погрешность
сом диаметром местоположения ме-
208 мм. Диаметр сфе- нее 1,75% от дально-
рического гидрофона 12,7 мм сти
NAVTRA EDO Western Горизонтальная кру- Дальность - IU UUU м.
К V/LR corp. (США) говая база нз 8 гидро- погрешность измере-
фонов в общем кор- ния дальности 5 м.
пусе, диаметром око- угловая погреш-
ло 2Х
HiPAP Kongsberg Сферическая база с Погрешность опреде-
SSBL Simrad AUV "Hugin" 241 приемником ния менее 0.5% от дальности |
99
Гидроакустическая система связи
Важной составляющей навигационного оборудования явля-
ется аппаратура гидроакустических командного н информацион-
ного каналов связи.
Гидроакустическая система связи (ГАСС), как система для
обеспечения надежного высокоскоростного обмена информа-
цией между АНПА и обеспечивающим судном, отличается от
обычных гидроакустических средств связи различным харак-
тером передаваемой информации. Это обстоятельство делает
возможным варьирование скорости передачи, объема п частоты
обновления информации в зависимости от текущего состояния
канала связи и, соответственно, достоверности принимаемого
сообщения.
Так, в информационном канале для контроля работы об-
зорно-поисковых систем АНПА скорость передачи должна быть
максимальной при умеренных требованиях к вероятности
ошибки (КУ-КУ2). В командном канале (навигация, телеметрия,
телеуправление) скорость может быть снижена в десятки раз с
ужесточением требований по допустимой вероятности ошибки
до КГ3- 10Л Обычно навигационные системы конструктивно
объединены с низкоскоростной (командной) системой телемет-
рии и управления, причем разделение систем обеспечивается
применением комбинированных сигналов. За счет частотного
разделения и кодирования команд системы могут работать с
различным числом объектов, а количество жестко заданных
команд составляет несколько десятков.
Информационный канал ГАСС в составе АНПА пред-
ставляется в двух вариантах:
• система высокоскоростной односторонней передачи данных
по гидроакустическому каналу для оперативного контроля
хода обзорно-поисковых работ путем передачи кадров ТВ и
акустических изображений, полученных на борту АНПА;
• система двухсторонней передачи данных для контроля и
супервизорного управления АНПА.
Передача информации через гидроакустический канал связи
в самом широком плане исследовалась многими зарубежными
научными школами в США, Франции, Англии, Китае. Первые
результаты были получены для некогерентных систем связи,
использующих многопозиционную частотную манипуляцию. Для
устранения влияния многолучевости применялись методы сверх-
точного помехоустойчивого кодирования и алгоритм Витерби
для выделения данных, переданных по прямому лучу. Эти
100
системы нашли самое широкое применение из-за их невысокой
сложности и стоимости. Последние обстоятельства сохраняют
привлекательность некогерентных систем и в настоящее время
когда скорость передачи данных составляет сотни и тьюячи
бит/с. Значительный прогресс в увеличении скорости передачи
данных был сделан при разработке когерентных систем связи
Суть их состоит в обеспечении фазовой синхронизации и
непрерывном отслеживании изменений текущих характеристик
канала связи с использованием эквалайзеров. Применение этих
методов позволяет независимо от условий распространения
реализовать скорости передачи данных от единиц до десятков
кбит/с [II].
Аналогичные отечественные исследования проводились в
Московском энергетическом институте, Новосибирском
электротехническом институте связи, ряде других организаций.
Полученные тогда результаты заложили хорошие предпосылки
для решения задачи при появлении современной элементной
базы. В последующее время активные исследования проблем
связи на больших дистанциях с использованием сложных
помехозащищенных сигналов проводились в Акустическом ин-
ституте [12], а применительно к океанографической аппаратуре,
в том числе и подводным аппаратам - в Институте океанологии
РАН [13], Новосибирском СибГУТИ. Общие подходы в
разработке аппаратуры ГАСС основаны в настоящее время на
предварительной обработке передаваемой информации, увели-
чении информационной емкости сигналов (за счет применения
многопозиционной фазово-частотной манипуляции), использо-
вании эквалайзеров для адаптивной коррекции характеристик
канала связи, внедрении элементов помехоустойчивого кодиро-
вания.
Ряд зарубежных фирм выпускает аппаратуру средств ГАСС
для широкого использования. Одним из примеров ГАСС для
АНПА являются разработки фирмы "Datasonic , создавшей ряд
акустических модемов ATM 850/851 нАТМ 870, имеющих стан
дартные интерфейсы RS-232 для ввода и вывода информации.
Если оценить количество информации, скорость ее накопления
на АНПА и соотнести их со временем передачи неооходимого
объема данных для формирования адекватной картины 003°Р®
на обеспечивающем судне, то канал связи для оперативн
контроля с борта обеспечивающего судна должен иметь р
пускную способность не менее 1,5-2кбит/с. ‘
850/851, который используется в аппаратуре АНПА •
имеет следующие характеристики: полоса частот
101
скорость передачи данных-1200 бит/с, тип сигнала - мпогопози-
ционная частотная манипуляция.
В случае передачи телевизионного кадра общий обьем
информации в изображении, заданном числом строк (192), столб-
цов (^56) и уровней яркости (цвета) (8) составит -18,5 кбайт.
Тогда при скорости 1,5-2 кбит/с общее время передачи кадра
составит 75-100 с. Работу систем телеметрии и телеуправления
можно обеспечить, не изменяя выбранную скорость передачи
данных через канал связи, используя избыточность для кодиро-
вания и увеличения помехоустойчивости.
Гидроакустические средства
бортовой автономной навигации
Абсолютный лаг - одно из основных средств бортовой авто-
номной навигации, обеспечивающий измерение вектора скорости
АНПА относительно дна. Наличие точного датчика курса,
магнитного или гироскопического, позволяет счислением рас-
считывать траекторию АНПА на его борту. Несмотря на то что
основные проблемы их разработки довольно детально иссле-
дованы, проектирование и применение лагов в составе АНПА
требует значительных доработок. Прежде всего это относится к
специфике подводных аппаратов: ограничениям по габаритам,
энергопотреблению, диапазону и точности измерения скорости,
необходимости работы при движении на малом удалении от дна.
Практически все известные зарубежные АНПА для обеспечения
точной навигации оснащены доплеровскими лагами [14], про-
мышленный выпуск которых освоен рядом зарубежных фирм.
Для примера в табл. 3.2 приведены основные характеристики
доплеровских лагов фирмы EDO corporation (модель 3050) и
фирмы RD Instruments (модель WN-300).
Таблица 3.2. Характеристики доплеровских лагов зарубежных фирм
— Характеристики Значения
EDO 3050 1 WN-300 RDI
диапазон измеряемых скоростей, м/с 0-10 0-5 диапазон расстояний от дна, м 1-Ю0 1-200 рабочая частота, кГц 596 погрешность измерения скорости: абсолютная, м/с 5 . 10-з , . |0-з относительная, % п . о,1 0,4
102
Высокая точность измерения скорости может быть обес-
печена при малом времени накопления данных за счет
использования. техники обработки сигналов с распределенными
спектрами [151 и применения специальных антенн с пепеменно
фазным включением элементов [16). и
В настоящее время 90% парка известных зарубежных АНПА
оснащены различными модификациями лагов фирмы RD Instru
ments (USA). Модель доплеровского лага WN-300 имеет харак-
теристики, оптимизированные по критерию "цена-характеристи-
ки-сложность”. В доплеровских лагах этой фирмы, обеспечиваю-
щих измерение двух компонент скорости, в основном использу-
ются четырехлучевые антенны с попарной обработкой сигналов,
называемой схемой Януса. Основным достоинством такой обра-
ботки является низкая чувствительность доплеровской частоты
к небольшим изменениям крена и дифферента носителя. Появле-
ние например, дифферента на корму приводит к увеличению
доплеровской частоты в носовом направлении и одновременно к
ее уменьшению в кормовом. В результате значение разностное
частоты остается практически без изменения, и влиянием качки
можно пренебречь, если дифферент не превосходит единиц
градусов.
Задачи разработки гидроакустического
навигационного комплекса
Описанная выше структура гидроакустических средств
навигационного обеспечения в целом или отдельные ее эле-
менты обязательны для любого АНПА, независимо от их це-
левого назначения, габаритов, условий работы, дальности дейст-
вия. Известные зарубежные АНПА оснащаются гидроакусти-
ческими навигационными средствами, которые, как правило,
выпускаются фирмами, специализирующимися на разработке и
выпуске отдельных систем. Так, АНПА "Hugin" укомплектован
навигационной системой фирмы Simrad (Норвегия), доплеров
ским лагом фирмы RD Istruments (США), акустическим модемом
АТМ-870 фирмы Datasonic [17].
Опыт работы ИПМТ ДВО РАН при проведении реальных
операций показал, что средства навигации и управления пелесо
образно объединить в рамках единого комплекса оборудование
Это позволяет расширить объем оператнвноь нави^р
информации путем передачи данных о ходе выполнясь
и параметрах движения аппарата (высоте, глу Р б ’
курсе), а также передачи кадров видео и акустп е
жений.
103
в зависимости от дальности действия и удаленности АНПА
от обеспечивающего судна можно выделить три уровня тре-
буемого навигационного оснащения: ГАНГ1ПГ.,
’ • традиционный комплекс, который включает ГАНС (ДЬ или
УКБ) с дальностью до 10-15 км. систему телеуправления и
телеметрии, доплеровский лаг, односторонний канал связи
при выполнении обзорно-поисковых работ в глубоком море
и на шельфе;
• системы навигации для работы АНПА с выходом за
пределы действия обычной ГАНС;
• системы навигации, связи и управления при выполнении
процедуры стыковки АНПА с ОС и докования.
Значительный прогресс в разработках систем энергопитания
привел к появлению АНПА с дальностью действия сотни кило-
метров и автономностью десятки суток. Применение ГАНС-ДБ
при выполнении длительных миссий с большой дальностью
действия невозможно, применение ГАНС-УКБ с движением ОС
в режиме сопровождения не всегда рационально. При таком
сценарии работ навигация на борту аппарата обеспечивается
применением ИНС совместно с доплеровским лагом для изме-
рения и коррекции абсолютной скорости. Коррекция координат
производится по данным GPS с обсервациями на поверхности или
на глубине по данным сети опорных маяков, размещенных вдоль
трассы движения. Кроме того, АНПА дальнего действия
целесообразно оснастить средствами приема и (по возможности)
излучения низкочастотных акустических сигналов с дальностью
распространения, не меньшей дальности действия аппарата, в
качестве средства дальнего приведения к борту ОС.
Проблема докования требует от навигационного обеспече-
ния значительно более высокой точности, обеспечения суперви-
зорного режима управления средствами двухсторонней связи,
идентичности отображения навигационной обстановки на бортах
аппарата и ОС, высокой оперативности. Для решения этих задач
средства навигации и связи должны быть высокочастотными, их
рабочая дальность обычно не превышает сотен метров. Система
может быть реализована по типу КБ (или совместно с УКБ) и
объединять в одном комплекте оборудования системы навигации
и связи.
Основу системы навигационного обеспечения АНПА, соз-
данных в ИПМТ ДВО РАН составляет гидроакустический
навигационный комплекс, в состав которого входят работающие
совместно или раздельно ГАНС-ДБ и ГАНС-УКБ. В составе
комплекса конструктивно объединены судовые антенны систем,
104
^м:^Лб^!:е:ец^^х:->^1иФицировано про.
деляется текущей тактикой h^o^T^^hZh^ZZkZ’
ческии комплекс п его модификации, в котором кроме на!и'
гационнои системы были реализованы системы телеметрий и
телеуправления успешно обеспечивал проведение реальных
морских операции АНПА в различные годы (см гл 7) Р
Ниже (в разделах 3.2-3.6) дан анализ физических принципов
построения навигационных систем, приведены результаты про
веденных натурных экспериментов, сформулированы общие
подходы для проектирования систем с повышенной дальностью
действия и высокими точностными показателями.
3.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДАЛЬНОМЕРНОЙ
ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ НАВИГАЦИИ
Особенности гидроакустической дальнометрии
Реализация ГАНС ДБ и ГАНС УКБ основана на учете ряда
специфических особенностей распространения акустических
сигналов в море. Основным фактором, определяющим особен-
ности распространения звука в море, является его неоднород-
ность по всем параметрам, влияющим на скорость звука, причем
Достаточно учесть собственно профиль вертикального распре-
деления скорости звука C(z). Эта неоднородность характери-
зуется оценкой максимального разброса скорости ДСт„/С =
= (3-5)% и типом вертикального распределения. Величина
ДСтах/С является оценкой относительной погрешности акусти-
ческой дальнометрии при использовании самых простых алго-
ритмов вычисления расстояния, использующпх некоторую
эффективную скорость звука, но не учитывающих рефракцию
звуковых лучей. Тип вертикального распределения C(z) опре-
деляет особенности рефракции звуковых лучей, формирование
зон акустической освещенности и зон тени, эффекты канального
распространения и т.д.
Законы рефракции достаточно точны и составляют основу
лучевой теории распространения звука в слоисто-неоднородноп
Морской среде. Для расчета лучевой траектории нужно знать
горизонты излучения и приема, профиль скорости звука и
глубину моря, а также время распространения сигнала, ели все
эти величины экспериментально определены в конкретно i
районе работы ГАНС, то составляющая погрешности, связанная
105
с изменчивостью скорости звука, может быть потенциально
уменьшена до величины инструментальной погрешности пзмс-
рителя скорости звука, которая имеет оценку ДС./С 1 .
Существенный выигрыш в точности (ДС„ « ДС J делает
очевидным использование более сложных, но и более точных
алгоритмов определения расстояния, основанных на законах
рефракции. В простейшем виде эти алгоритмы приведены,
например, в [1]. Согласно [1], при известных профиле скорости
звука, горизонтах излучения и приема Z,, Z2 сначала по измерен-
ному времени распространения акустического сигнала Т опреде-
ляется угол скольжения с(| в точке старта луча (Z|), а затем по
найденному углу скольжения определяется горизонтальное
расстояние между точками-корреспондентами. Этот алгоритм
имеет ограниченную область применения и не пригоден в
случаях, когда траектория луча содержит точки заворота или
точки отражения от поверхности и дна. Ясно, что при его
использовании появляются и другие составляющие погрешности,
связанные с измерениями глубины моря и горизонтов излучения-
приема. Если для этих целей используются датчик глубины и
эхолот, то погрешность измерения величин будет иметь оценку
o,/Z = 10“3. Само по себе это дает обнадеживающий результат, а
при использовании скользящих звуковых лучей составляющие
погрешности будут еще меньше.
Более радикальное решение заключается в том, чтобы в
точках-корреспондентах, содержащих обычно приемно-излу-
чающие антенны, все нужные глубины определялись эхолокаци-
онными методами с последующей передачей данных о вре-
менных задержках в пункт обработки навигационной инфор-
мации. При такой организации погрешность измерения глубин
будет уменьшена до предельной величины о /Z = G /С = 10^;
ос = ДСи.
Даже при работе в глубоком море луч, соединяющий точки-
корреспонденты, не является единственным из-за наличия отра-
жающих границ. В рамках лучевой теории можно построить це-
лое семейство лучей, отличающихся числом отражений от гра-
ниц раздела или числом точек заворота луча. В рабочем интер-
вале ожидаемого времени прихода луча могут оказаться нес-
а В мелком М0Ре ИХ ЧИСЛО становится довольно
°°льшим. Для правильного определения расстояния нужно знать
и тип траектории, соответствующей принятому сигналу.
акустик °г°М М0,Эе обычно работает в ближней зоне
акустической освещенности, которая формируется четверкой
106
Рис. 3.1. а) характерный для глубокого моря профиль скорости звука-
б) лучевые траектории в ближией зоне акустической освещенности
подзоны: I- первая, //- вторая, III - третья, IV- четвертая- в) им-
пульсные характеристики, соответствующие этим подзонам
лучей, прямым лучом, лучом, однократно отраженным от по-
верхности, лучом однократно отраженным от дна, и лучом,
однократно отраженным от поверхности и дна, как это поясня-
ется рис. 3.1 б). В свою очередь, ближняя зона акустической
освещенности разбивается на четыре подзоны. В первой,
ближайшей к излучателю, реализуются все четыре луча, а в
последней, лежащей вблизи границы зоны, реализуется только
один луч, однократно отраженный и дном, и поверхностью.
Соответствующие этим подзонам импульсные характеристики
канала распространения приведены в нижней части рис.3.1 в).
Все последующие четверки лучей отделены друг от друга на
временной интервал Т - 1Н/С.
Такое постепенное исчезновение акустических сигналов из
зоны освещенности характерно только для неоднородной мор-
ской среды, тогда как в однородной среде нет ни зон осве-
щенности, ни зон тени.
Лучевой алгоритм вычисления расстояний по измеренному
времени распространения, обобщенный на все множество лучей,
может использоваться для расчета любой лучевой траектории [3;
18]. Суть его заключается в том, что любая траектория в
плоскопараллельном слое с профилем С(:) является циклической
траекторией, состоящей из трех повторяющихся основных
элементов. При заданном профиле скорости звука и его кусочно-
линейной аппроксимации, горизонтах излучения и приема z,, А,,
глубине моря Н и измеренному времени гэкс можно определить
углы выхода лучей соединяющих заданные горизонты, и соот-
ветствующие горизонтальные расстояния Г|з(0- В соответствии
с правилом отбора, сформулированном в [3], первым в точку
107
Рис. 3.2. а) зависимость скорости распространения звука по наклон-
номт лтчу (Си) от времени (Г) для глубокого моря н различных гори-
зонтов излучения: 700 м (1), 1000 м (2), 2000 м (3); б) вертикальны.,
профиль скорости звука
приема приходит сигнал, которому соответствует максимальное
расстояние, что согласуется с известным принципом Ферма.
По найденным параметрам траектории можно опреде-
лить эффективную скорость распространения по наклонному
лучу С„:
- -\Jri2.nwA0+(Z| -z2) / t3KC.
Рассмотрим зависимость скорости от времени распростране-
ния луча для глубокого моря -рис. 3.2 а). Параметр кривых -
глубина источника. Все кривые ведут себя сходным образом.
Начальный участок кривой соответствует траекториям простей-
шего типа, т.е. траекториям типа 1 на рис. 3.1 б). При переходе
на траектории типа 2-3 скорость звука заметно уменьшается -
происходит первый скачок. Траектории такого типа заполняют
первую зону освещенности, в пределах которой эффективная
скорость растет с ростом времени распространения вплоть до
второго скачка, соответствующего переходу на траектории
типа 4. Таким образом, скачкообразное изменение скорости
всегда соответствует смене типа траектории, реализующей связь
между точками-корреспондентами, причем глубокие скачки
соответствуют границам зон освещенности. Изменчивость сред-
ней скорости Сн при изменении расстояния в пределах траек-
тории одного типа составляет примерно 0,5%, тогда как в пре-
делах первой зоны освещенности ее изменчивость увеличивается
до 3% и соответствует изменчивости скорости звука на профиле
ОД-рис. 3.2 б). к
108
Как правило, измерительная схема или алгоритм вычисления
расстояния работает именно по первому прии.едигему сигналу
отбрасывая все остальные многократно отраженные сигналы’
Казалось бы, такое правило освобождает нас от всех проблем
связанных с многолучевостью, или по крайней мере с той их
частью, которая непосредственно влияет на погрешность оппе-
деления расстояния, однако ситуация здесь значительно сложнее
чем может показаться на первый взгляд. Рассмотрим, например'
более простые предельные ситуации.
В мелком море временные задержки между многократно
отраженными сигналами как внутри четверки, так и между чет-
верками уменьшаются, поскольку все лучи становятся скользя-
щими при выполнении неравенства Н < R, R - измеряемое
расстояние.
Сами сигналы, как перекрывающиеся во времени, начинают
интерферировать друг с другом, в результате чего амплитуда
суммарного сигнала, его форма, а главное регистрируемое
пороговым устройством время прихода сильно меняется, что
естественным образом ведет к увеличению погрешности изме-
рения времени распространения и вычисления искомого рас-
стояния. В глубоком море при значительном, если это воз-
можно, удалении точек-корреспондентов от отражающих границ
временные задержки между отдельными лучами могут быть
достаточно большими, чтобы исключить всякую их интер-
ференцию. Это означает, что каждый луч может быть надежно
идентифицирован, а по времени прихода первого луча может
быть вычислено достаточно точно искомое расстояние.
Реальная ситуация оказывается более сложной, так как
морская среда и условия распространения не являются детерми-
нированными. Статистическая гидроакустика изначально
постулирует случайный характер параметров морской среды,
определяющих в свою очередь выходные параметры распрост-
ранения сигналов как некоторые случайные величины. Можно
ожидать, что основные параметры распространяющихся сигна-
лов не являются детерминированными, а флуктуируют отно
сительно некоторых средних значений с некоторой дисперсией.
Экспериментальные данные, полученные непосредственно с
помощью ГАНС, свидетельствуют о том, что масштабы флук-
туаций могут быть весьма значительными в одних ситуациях и
достаточно малыми - в других. Это говорит о том. что в и.
основе лежат, вообще говоря, разные процессы, ассмотр
более простую ситуацию для глубокого моря, когда р
сигналов происходит в первой зоне акустически освещ
109
в соответствии с рис. 3.1 в) в каждой области эгои зоны
существует свое семейство сигналов в пределах нерпой чс тверки,
а на границах областей происходит смена числа сигналов в
ансамбле. Случайный характер процесса может прояви ться в
том что время прихода каждого сигнала будет флуктуировать с
некоторой дисперсией около среднего значения, а флуктуации
амплитуды могут привести к пропаданию сигнала, если ei о амп-
литуда оказалась меньше порогового значения.
Кроме того, флуктуации скорости звука могут вызвать
флуктуации границ областей с пропаданием отдельных сигналов.
Сточки зрения дальнометрии мы можем выделить случайные
процессы макроуровня, приводящие к пропаданию отдельных
лучей в четверке, т.е. к изменению структуры ансамбля и
порядка следования сигналов в ансамбле. Процессы микроуровня
определяют потенциальную точность ГАНС, к которой можно
стремиться, последовательно выявляя все источники погреш-
ности и уменьшая их до разумных пределов всеми возможными
способами. Процессы макроуровня могут иметь место в любой
системе, потенциально сколь угодно точной, если таковыми
оказываются конкретные условия распространения. С таким
источником погрешности очень трудно бороться, как трудно
бороться с природой явления вообще. На рис. 3.3 приведены
записи времени распространения сигналов, соответствующих
первой четверке, полученные в дрейфе при глубине моря
(Н = 3500 м), удаление приемопередающих антенн от границ
раздела составляет 150 + 200 м. Текущее время распространения
t представлено числом циклов N работы ГАНС (N = t/t0, t0 = 30 с).
В соответствии с лучевыми представлениями первая зона осве-
щенности разбивается на четыре подзоны, в пределах которых
число принимаемых лучей в первой четверке уменьшается от
четырех до одного, а за четвертой подзоной следует зона тени,
ис. 3.3 а) соответствует подзоне, в которой существуют четыре
луча, но реально принимается случайная комбинация лучей из
этой четверки, рис. 3.3 б) соответствует второй подзоне; рис.
б) третьей, рис. 3.3 г) - четвертой подзоне, в ней существует
только один луч. Поскольку все записи получены в дрейфе,
нл5п^Иа пРихода линейио растут или убывают со временем
И° НЭ ЭТУ РегУляРнУю зависимость накладываются
™Аям^п0СТаВЛЯЮхТЯ микР°УР°вня и случайная состав-
имеет оценк?мРВ0Й с"ставляюЩей невелик и
У ' ' Ю с- Масштаб второй составляющей
анимбл^о^Йо^гОоГЮП°сЯД0К Временнь,х за«еРжек лучей в
110
T(ml]
4980-
a)
Рис. 3.3. Время распространения сигналов в ближней зоне освещен-
ности. Подзоны: а) первая, б) вторая, в) третья, г) четвертая
111
Ясно, что такое специфическое проявление многолучевости,
связанное со случайным пропаданием любого луча в ансамбле, в
том числе и первого, является основным источником погреш-
ности ГАНС. Для устранения этой составляющей погрешности
нужно измерять не только время распространения сигнала, но и
параметр самой лучевой траектории, например угол скольжения,
что позволяет идентифицировать лучевую траекторию при
случайном пропадании одного или нескольких лучей в первой
четверке.
Погрешность измерения расстояния
и основные ее источники
Как правило, взаимное положение объекта навигации, судо-
вой антенны и маяков-ответчиков отображается на горизон-
тальной плоскости, а горизонтальное расстояние г связано с
измеряемыми величинами соотношением:
/?2 = г2+(Z,-Z2)2; r2=(Cr)2-(Z,-Z2)2,
где R - наклонная дальность, г - время пробега.
Соответствующее уравнение погрешностей можно записать
в виде:
2 _ г" т С2 , -> -> , л ,
- 72 + °; tg" а; о; = о.‘| + о:,;
С cos а -1 ‘2
где а - угол скольжения в треугольнике со сторонами г, R,
G, - соответствующие погрешности.
Если глубины измеряются эхолокационными методами в
самой ГАНС, то
^=lZi+Z2||f + 2G2C2;
(г2 +Z2 tg2a + a2c2f—I—+ 2tg2 ccYl; (3.1)
х у cos a J J
Z2 = Z2 + Z2
рии измерительного треугольника r R I 7 7 i u к
значение имеет rw-rJ»™,,, ика r' K' zi ~ Наибольшее
весовым кп.Д ЩЭЯ К0Т°Рая входит в (3.1) с
весовым коэффициентом, пропорциональным расстоянию г.
112
тогда как остальные составляющие имеют коэффициенты
слабо зависящие от расстояния или даже убывающие с nad
стоянием. н
Составляющая О,. имеет смысл погрешности задания ско-
рости звука и определяется как инструментальной погрешностью
измерения скорости звука, так и используемыми алгоритмами
пересчета измеренного времени распространения в дистанцию.
Так, если неоднородность морской среды по скорости звука
учитывается введением некоторой средней скорости, то
погрешность ее задания имеет оценку ос = (10“2-10"3)'С в
зависимости от того, насколько удачно определена эта средняя
скорость для конкретных условий наблюдения. При работе в
некотором районе с изменяющейся геометрией расположения
точек-корреспондентов меняются и условия наблюдения, поэ-
тому погрешность задания средней скорости не может быть
достаточно малой.
Если же профиль скорости измерен для конкретного района
работы непосредственно перед работой и алгоритмы опреде-
ления расстояний полностью учитывают рефракцию и многолу-
чевость, то погрешность задания скорости может быть умень-
шена до величины инструментальной погрешности ос = 10~* С.
Составляющая о, фактически определяется инструмен-
тальной погрешностью измерения времени в ГАНС и слабо
зависит от условий измерения и геометрии расположения изме-
ряемых дистанций (о, = 10'3 С).
Для дальнейшего анализа процесса формирования погреш-
ности ГАНС важно оценить главную составляющую погреш-
ности и ее зависимость от условий наблюдения. Наши предва-
рительные оценки позволяют записать приближенное, но прин-
ципиально важное соотношение:
(3.2)
В соответствии с (3.2) главная составляющая погрешности
связана с погрешностью ос и растет с рассто н , Р
составляющая, связанная с погрешностью о, воо ще Р
мала и ее учет необходим лишь в случае, когда умень
главная составляющая погрешности.
Чтобы яснее представлять порядок
составляющие в единицы длины и с
величин, переведем все
равним для дистанции
порядка 10" м:
о„г/С = (1(Г2 -10_‘)г = (100-1)м, Со, =1.5м.
& Автономные
113
Как показано выше, случайная составляющая времени
прихода сигнала микроуровня имеет порядок Са,= (1,5-2) м. т.с.
вызвана случайными флуктуациями скорости звука па трас-
се распространения. Случайная составляющая макроуровня
имеет порядок Сст, = (100-200) м, и ее проявление сравнимо
по масштабу погрешности с потерей информации об особен-
ностях профиля скорости звука и связанной с ним рефракцией
в целом.
Погрешность определения относительных координат
и ее основные источники
Дальномерная информация является исходной для
определения координат объекта, причем если используются два
маяка (рис. 3.4 а), то координаты объекта определяются с точ-
ностью до зеркального, относительно оси базы, отображения, а
если три, то используется избыточная информация, как это
поясняется рис. 3.4 б). Основная проблема заключается в способе
накопления и последующей обработки избыточной информации,
как при определении координат маяка-ответчика в процессе
геодезической привязки, так и при определении координат
объекта относительно маяков-ответчиков.
114
Погрсшиоыь п|7 определяется погрешностью измерения
дистанции и углом наблюдения а12, как это показано на
рис. 3.4 а), причем в погрешности определения дистанций D, D,
входит и погрешнос ть определения базового расстояния I.
Получив погрешность однократной измерительной про-
цедуры а12, с помощью двух маяков и двух измеренных
дистанций можно оценить погрешность трехкратной измери-
тельной процедуры с усреднением а]23 для трех маяков и трех
измеренных дистанций, определяющих три точки возможного
объекта навигации (А, В, С). Каждой из них соответствуют
погрешности о,2, а23, а,3 определения координат.
Процедура взвешивания результатов однократных изме-
рений выполняется таким образом, чтобы погрешность усред-
ненного измерения была минимальной, а правдоподобие
максимальным. Конечные формулы для оценки усредненной
погрешности о|23 и правдоподобия П|23 = о^з имеют вид:
^123 _ °|23 - °|2 + °13 + О23 _ П12 +П13 +П23.
Если все измерения координат являются равноточными, то
накопление избыточной информации и ее обработка позволяют
уменьшать погрешность с ростом числа измерений. Если все
измерения координат являются разноточными с плохо предска-
зуемой погрешностью, то накопление избыточной информации
не имеет смысла, так как ее нельзя обработать. Более того, если
измерения являются разноточными, а мы усредняем их как
равноточные, т.е. с равными весовыми коэффициентами, то
грубые измерения могут существенно увеличить погрешность
усредненного измерения.
Для грубой оценки погрешности измерения координат
формула оказывается весьма полезной, а если предположить,
что основная погрешность акустического дальномера растет
пропорционально измеряемому расстоянию, то можно выпол
нить аналитический расчет поля погрешностей для произволь
ной донной сети.
Итак предположим, что:
00, = ^™^; cfD2 = <УОТНГ»2; Стогн = Ос /С-,
тогда
®оти
sin" а12
О [23 —
F = (A|,+A13+Aj)'1'2;
115
Рис 3 5 а) схема расположения объекта относительно базового тре-
угольника. б) зависимость геометрического фактора F от расстояния D
J (все величины отнесены к I)
4D2D2k(D-+Df')
Полагая для простоты базовый треугольник равносторонним
с базой / (рис. 3.5 а), построим зависимость геометрического
фактора F от расстояния D, как это показано на рис. 3.5 б).
В предельном случае имеем оценки:
1.Р1 = Р2 = Р3=//ТЗ; II. F = = 0,542;
in.D/Z^l; F = -D2ll. (3.3-3.5)
3
Соотношения (3.3) являются типичными для любого
базового треугольника и показывают, что погрешность мини-
мальна в центре симметрии, растет линейно с ростом расстояния
внутри базового многоугольника и с квадратом расстояния при
большом удалении от центра во внешней области.
Быстрый рост погрешности определения координат с рас-
стоянием сильно ограничивает возможности полезного накоп-
ления избыточной информации путем увеличения числа эле-
ментов донной сети, так как информативными оказываются два-
три ближайших к объекту навигации маяка-ответчика, а усред-
нение по всему набору измерений без правильного взвешивания
только увеличит погрешность конечного результата.
Таким образом, предпочтительный размер района работ
одного базового треугольника должен отвечать условию D = 1.
116
Автокалибровка сети донных маяков-ответчиков
и абсолютная привязка
Автокалибровка донной сети предназначена для определения
базовых размеров сети маяков-ответчиков средствами ГАНС с
последующей передачей данных по акустическому каналу в
пункт обработки. Для ее выполнения необходимо, чтобы все
маяки слышали друг друга. В режиме автокалибровки один из
маяков становится "ведущим" и опрашивает своих соседей,
причем функции "ведущего" передаются последовательно всем
остальным маякам, а полная информация обрабатывается и
усредняется. Дрейф маяков относительно донного якоря
приводит к тому, что конфигурация донной сети меняется во
времени и процедура автокалибровки периодически повторяется.
В глубоком море условия распространения звука в при-
донном слое достаточно хорошо описываются в рамках лучевой
акустики, стабильны во времени и хорошо предсказуемы,
поэтому погрешность автокалибровки может быть достаточно
малой (о - единиц метров). Изменчивость координат маяков
вследствие их дрейфа оценивается по крайней мере десятками
метров и устраняется только многократной автокалибровкой.
В табл. 3.3 приведены экспериментальные данные измерений
базовых дистанций и соответствующих им погрешностей,
полученных в режиме автокалибровки в условиях глубокого
(глубина = 5150 м) и мелкого моря (глубина = 14 м).
Маяки-ответчики находились на глубинах 4740 м, судовая
антенна на глубине 137 м для случая глубокого моря, в мелком
море маяки-ответчики и судовая антенна располагались на
глубине 5 м. Как видно из табл. 3.2, погрешности измерения
базовых дистанций в условиях глубокого моря не превышают
2,5 м. В мелком море, вследствие сильной интерференции, пог-
решность составляет = 10 м на дистанциях более 1 км.
Таблица 3.3. Калибровочные измерения иавигадиоиныхбаз
Автокалибровка Калибровка траверным методом
в мелком море по данным GPS поданным ГАНС
N /у, М а,7, м /у, М ау, м lij. м 0,?М /у, М | Оу м
1,2 2367 2,27 1142 10,8 2386,0 19,0 2376,1 9,1 2,3 2883,4 2,3 624 5,0 2901,1 17, - • •- 1,3 1997,8 2,15 1126 10.3 1979.5 18.3 1989.0 8,8
117
При измерении базовых расстояний в режиме автокалиб-
ровки оценивается только случайная составляющая погрешности
определения расстояния. Для оценки полпоп погрешности,
которая содержит случайную и систематическую составляющие,
необходимо использование внешних измерительных средств,
имеющих статус эталонных или образцовых, и соответствующих
методик поверки. Такая поверка включает в себя синхронизи-
рованное определение координат обеспечивающего судна с
помощью GPS, положения судовой антенны относительно GPS и
дистанции до маяка-ответчика из набора точек или на каком-
либо галсе. При использовании одиночных точек на поверхности
моря, привязанных с помощью GPS, погрешность привязки будет
соответствовать погрешности однократного определения коор-
динат. При использовании прямолинейных галсов в качестве
геодезических линий погрешность привязки может быть сущест-
венно уменьшена, что является исходным условием достаточно
точного определения координат маяка-ответчика в целом.
Этот метод, названный в работе [19] методом проходных
характеристик или траверзным методом, многократно исполь-
зовался для определения абсолютных координат маяков-ответ-
чиков. На рис. 3.6 представлена схема калибровки методом
проходной характеристики. Геометрия расположения маяков и
параметры среды аналогичны описанным выше при автокалиб-
ровке в глубоком море.
На рис. 3.6 а) приведена траектория движения судна
(кривая 1), полученная по данным GPS. На рис .3.7 а-3.7 в приве-
дены дальномерные данные, полученные по гидроакустическому
каналу связи от 1, 2 и 3 маяков соответственно. Данные изобра-
жены в виде совокупности точек, по вертикальной оси отложено
время распространения сигнала, по горизонтальной - номер
такта работы ГАНС. Пересчитывая временные данные в
дистанции в соответствии с лучевым алгоритмом [26] можно
определить координаты гидроакустической антенны обеспечи-
вающего судна. Рассчитанная по данным ГАНС траектория
движения о еспечивающего судна относительно маяков-ответ-
К00Рдинать| которых определены в результате авто-
баЗЫ’ пРедставлена на рис 3.6 а кривой 3. Она, как
ванным3ХесТИТЬ’ В сРавнении с траекторией, полученной по
(bvHKiiweu гг ’ ЛУЧШИМ обРазом аппроксимируется линейной
2и4б->нг Погрешности аппроксимации кривых 1 и 3, прямыми
а) составляют 41,9 м и 26,7 м, соответственно.
опопнь?1ЛЬгТп^ИСПОЛЬЗОВанИЯ ПРИВЯЗКИ данных ГАНС к системе
, расположенных на прямых 2 и 4, при расчете
118
Рис. 3.6. Схема калибровки маяков-ответчиков
1 - траектория движения судна по данным GPS; 2 - аппроксимирующая
прямая для траектории судна, построенной по данным GPS; 3 - траектория дви-
жения судна по данным ГАНС; 4- аппроксимирующая прямая для траектории
судна, построенной поданным ГАНС; Д - маяки-ответчики
базовых расстояний сведены в табл. 3.3. В качестве опорных при
сравнительных оценках использовались данные, полученные в
результате автокалибровки базы.
Если считать эти оценки исходными при определении
местоположения судна на галсе (<т0 = 41,9 м, ст0 =26,7 м для GPS н
ГАНС-ДБ соответственно), то погрешность привязки судна на
геодезической линии, в качестве которой используются прямо-
линейные галсы, имеет оценку ct,v = ст0 /гДе ~ число точек
на галсе, использованных при аппроксимации (N=* 200-*- 300 для
реальных траекторий).
119
Рис. 3.7. Проходные характеристики Г(и) для первого маяка-ответчика
(а), второго (6), третьего (в)
После определения абсолютных координат маяков-ответ-
чиков траверсным методом с погрешностью можно вычис-
лить базовые расстояния между маяками-ответчиками, использо-
вав эти данные в качестве образцовых для сравнения с ранее
полученными методом автокалибровки. Результаты сравнения
приведены в табл. 3.3, а результирующая погрешность = 8-9 м
имеет смысл суммарной погрешности измерения расстояния с
помощью ГАНС-ДБ.
Дальность действия ГАНС
Дальность действия навигационной системы определяется
многими факторами, такими как энергия источника возбуж-
дения, уровень шума в районе работы, гидрология и взаимное
расположение антенн, а также их направленными свойствами.
Выделяют обычно группу параметров, определяющих энерге-
тическую дальность действия с ее специфической частотной за-
висимостью, и группу параметров, определяющих геометри-
ческую дальность действия с ее специфической зависимостью от
гидрологических условий. Энергетическая дальность действия
определяется энергией источника, спектральной плотностью
шумовой помехи и рабочей полосой частот, потерями на
распространение звука и направленными свойствами антенн в
режимах излучения и приема. Принципиальной оказывается час-
тотная зависимость излучаемой мощности при заданной дальнос-
ти действия, которая имеет характерный минимум, а соответст-
вующая ему частота оказывается оптимальной частотой.
120
Для вывода необходимых соотношений и,,
уравнение дальности в форме: нужно записать
(3.6)
f/k2
где P(r,f) — звуковое давление в точке приема,
А1, А2— некоторые размерные постоянные,
РМ- давление, соответствующее шумовой помехе
коэффициенты осевой концентрации излучающей и
приемной антенн соответственно,
ппп71ЛлЭ5Ф1?ЦИеНТ затухания звУка- « = 0,036/)/2дБ/км =
= 0,004ID/3'2 Неп/км.
Приведенный уровень звукового давления излучателя имеет
частотную зависимость вида:
Аеаг
Р^’^= ’ a = af1'2 Неп/км а = 0,00415, (3.7)
где А - размерная постоянная, которая поясняется рис. 3.8.
Из условия минимума приведенного уровня (dp/df=O)
получаем следующее выражение:
Лпт=(13' <2/3, г[к<лкгц]’
где п = 1 для ненаправленного излучателя и приемника; п = 2 для
случая, когда направленными свойствами обладает или излу-
чатель, или приемник, причем К} -fl, К2 -fl; п = 3- для направ-
ленных излучателя и приемника.
Для рассматриваемых случаев п = 1 - 3 оценочная формула
имеет вид:
/опт = (ЗО-62)г-3/3. (3-8)
Оценочная формула указывает на общую тенденцию пони-
жения рабочих частот при увеличении дальности действия гидро-
акустической навигационной системы, а конкретные численные
параметры в (3.8) определяются постулированными типами
частотной зависимости затухания (а = О.ОЗб/372), шумовой помехи
(Рш - 1//) и коэффициентов осевой концентрации приемио-
передающих антенн (Д( -fl).
Численные оценки по формуле (3.8) показывают, что для
расстояний г = 10-100 км оптимальные частоты составляют
соответственно fom = (13 = 3) кГц.
121
Рис. 3.8. Зависимость уровней звукового давления от частоты
для расстояний г = 10, 20, 30 км
Геометрическая дальность действия определяется законами
рефракции звука в неоднородной морской среде и взаимным
расположением излучателя и приемника. В прикладном плане
важна ситуация, когда геометрическая дальность действия мень-
ше энергетической. Физически ограничение дальности действия
гидроакустической навигационной системы объясняется форми-
рованием зон акустической освещенности и зон тени, а
акустическая связь в зоне тени возможна, но требует дополни-
тельных энергетических затрат и довольно значительных.
Структура зон акустической освещенности и тени сложным
образом зависит от профиля скорости звука, а более простая
ситуация имеет место только в придонном слое глубокого моря,
где градиент скорости звука является постоянным и слабо
зависит от района работы и времени года.
Дальность действия в условиях придонной рефракции
хорошо оценивается формулой:
где h}, h2 - высоты установки излучателя и приемника над дном,
g - (0,016 - 0,018) г1 - градиент скорости, С - скорость звука в
придонном слое, и составляет (7-8) км при высоте установки
маяков-ответчиков над дном (200-250) м.
Для существенного увеличения дальности действия навига-
ционной системы с учетом придонного характера работы под-
водного аппарата в любом случае и при любой гидрологии нуж-
но увеличивать высоту маяка над дном. Общий характер зонной
структуры и звукового поля излучателя, расположенного вблизи
122
Рнс. 3.10. Лучевая картина звукового поля при расположении
излучателя вблизи осн звукового канала
дна и вблизи оси подводного звукового канала поясняется
рис. 3.9, 3.10 соответственно, при одинаковых гидрологических
условиях.
Видно, что при расположении излучателя вблизи осп под-
водного звукового канала дальность связи с придонным прием-
ником увеличивается до (35-40 км) и ориентировочно составляет
(7-8)tf (Я - глубина моря). Конечно, такое увеличение дистанции
является очень существенным, а сама рабочая зона остается
ближней зоной акустической освещенности. В этой зоне
сохраняется сравнительно простая структура лучей, входящих в
первую четверку, и они могут быть надежно идентифицированы
с использованием лучевых алгоритмов п информации о профиле
скорости звука. За пределами этой зоны структура звукового
поля становится крайне неравномерной с чередующимися зо-
123
Рис. 3.11. Типичный для глубокого моря профиль скорости звука
п схема сверхдальней навигации
нами тени и зонами акустической освещенности более высокого
порядка, усложняется и идентификация лучей в семействе
пришедших в точку приема сигналов.
Ограничения на дальность действия, накладываемые
рефракцией звуковых лучей, а в более общем случае зональной
структурой звукового поля, преодолимы, если у нас есть резерв
увеличения мощности излучения. Однако увеличение мощности
излучения не решает всех проблем сверхдальней акустической
навигации. Рассмотрим более простую ситуацию, когда даль-
ность действия увеличена за счет размещения одной из антенн в
приповерхностном слое вблизи оси подводного звукового канала.
Такой антенной может быть антенна-ретранслятор, обеспечи-
вающая с одной стороны связь с донными маяками-ответчиками,
которые могут быть установлены на якорь-тросе минимальной
длины с минимальным дрейфом относительно якоря. С Другой
стороны, антенна-ретранслятор должна обеспечивать связь с
подводным аппаратом, работающим вблизи дна.
Схема взаимного расположения маяков-ответчиков, обеспе-
чивающего судиа с антенной-ретранслятором и АНПА пояс-
няется рис. 3.11. Там же изображены другие варианты обеспе-
чения повышенной дальности акустической связи с использова-
нием либо заякоренного, либо дрейфующего маяка-ретранс-
лятора (МР) и типичный для глубокого моря профиль скорости
звука. В этой схеме антенна обеспечивающего судна опрашивает
маяки-ответчики и ретранслирует ответные сигналы на соответ-
ствующих частотах на подводный аппарат. На АНПА принима-
ется сигнал опроса, по которому с помощью ГАНС-УКБ опреде-
124
ляется положение аппарата относительно судовой антенны а по
ретранслированным сигналам - координаты антенны ретоансля
тора относительно маяков-ответчиков. ретрансля-
Для определения положения АНПА относительно антенны
обеспечивающего судна необходимо иметь „а борту судна
вторую ГАНС-УКБ, а подводный аппарат должен быть обору-
дован маяком-ответчиком или синхронным пингером Основные
характеристики такой комплектованной навигационной
системы подробно анализируются в работе [20]
Таким образом, комплексирование навигационных систем
длиннобазовой с донными маяками-ответчиками, установлен-
ными на укороченном якорь-тросе, и ультракороткобазовых,
размещенных на обеспечивающем судне и подводном аппарате
позволяет полностью решить все задачи навигационного обеспе-
чения подводного аппарата в районе, радиус которого значи-
тельно расширен самой схемой функционирования комплекси-
рованной навигационной системы до значения R = (7-8)Я.
3.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УГЛОМЕРНЫХ
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СРЕДСТВ
Необходимость оснащения АНПА, разрабатываемых в
ИПМТ ДВО РАН, гидроакустической навигационной системой с
ультракороткой базой была отмечена еще в 1979 г., когда поя-
вился первый серьезный опыт работы с длиннобазовой ГАНС
Систематические исследования с оценкой перспектив построения
ГАНС-УКБ, обладающей высокой точностью угловых измере-
ний, были начаты в середине 90-х годов. Ряд промежуточных
теоретических и экспериментальных результатов был опубли-
кован в работе [21]. Из анализа простейших пеленгационных
антенн в виде ортогональных пар элементов следовало, что даже
при относительно высоком отношении сигнал/шум (q = 10 дБ) их
потенциальная точность невелика. Значительный прогресс в
увеличении точности был сделан при применении многоэле-
ментных антенн [22; 23]. С целью уменьшения числа каналов
обработки (и, соответственно, числа элементов в антенне) были
детально исследованы и воплощены в реальных системах круго-
вые антенны с разреженным размещением приемных элементов.
Предложенный подход с использованием многоэлементных
антенн для фазового пеленгования основан на статистической
обработке всего объема принимаемой информации и дает
основания рассчитывать на потенциальную точность угловых
измерений, составляющую десятые доли градуса [-' , -3J.
125
Фазовое пеленгование в системах
с антеннами простой конфигурации
Начнем анализ с оценки характеристик простою двухэле-
ментного приемника. Будем считать, что объект навигации
излучает тональный сигнал, длина волны которого л, расстояние
между элементами приемной антенны 2Ь, а пеленг на источник р
отсчитывается от нормали антенны (рис. 3.12). Тогда разность
фаз ф в каналах приемника связана с пеленгом аналитическим
соотношением:
ф = 2kb sin Р,
, 2л
где к = — - волновое число.
Из (3.9) найдем погрешность измерения пеленга Стр:
стф
ап =------Z>
р 2kb cos Р
(3.9)
(3.10)
где оф - погрешность измерения фазы.
Для точного определения
пеленга в соответствии с выра-
жением (3.9) необходимо, что-
бы размер измерительной ба-
зы 2Ь не превышал половины
длины волны. Действитель-
но, если 2кЬ = п, 2Ь = Х/2, то
Ф = rcsin р, и при любом значе-
нии пеленга фаза определяется
однозначно, поскольку не вы-
ходит из интервала [-л, л].
о. В противном случае выраже-
искомьтм Е°ЗНа^?й связи между измеряемой фазой и
полней М' ЕСЛИ > 7t’ то диапазон изменения
полной фазы сигнала становится шире интервала [-л, л], и на-
значешшмЯискомлглРаЗН°СТЬ Яудет соответствовать нескольким
что ™ искомого пеленга. Полагая далее 2b = А/2 и учитывая,
ется отношен'ие ЭЯ точность измерения фазы сигнала определя-
получим.что^^ —
°в =--------.
?ЛСО8Р'
(3.11)
126
Отсюда следует, что погрешность велика даже при высоком
уровне принимаемого сигнала. Например, при д = Ю дБ погпеш
ность измерения пеленга составит около 6° и, кроме ?ого имеет
угловую зависимость.
Шестиканальный фазовый пеленгатор
Для пеленгования источника, расположенного в прост-
ранстве, можно выполнить приемную антенну пеленгатора в
виде трех пар ортогональных элементов. Такая конфигурация
уже является вполне рабочей и годится для практического
применения. Алгоритм обработки фазовых данных запишем с
учетом изменения пространственной ориентации осей антенны,
которые задаются датчиками крена и дифферента.
Рассмотрим антенну, которая содержит три ортогональные
пары гидрофонов, разнесенных на базовые расстояния 1Ь,
причем две пары расположены в горизонтальной плоскости и
используются для определения пеленга, а третья пара, верти-
кальная, используется для определения угла места источника
звука (или угла скольжения, отсчитываемого от горизонтальной
плоскости). При наличии качки горизонтальный и вертикальный
каналы пеленгования оказываются взаимосвязанными, а полная
фазовая информация должна подвергаться совместной обра-
ботке. Пусть три пары гидрофонов ориентированы вдоль
ортогональных осей координат X',Y', Z', жестко связанных с
самой антенной. В качестве неподвижной системы отсчета
выберем ортогональную систему координат X, Y, Z, горизон-
тальные оси которой приведены к осям датчиков углов крена и
дифферента, а ось Z совпадает с вертикалью. Направление на
источник звука зададим локальным углом пеленга Р, отсчи-
тываемом от оси X неподвижной системы координат и углом
скольжения у относительно горизонтальной плоскости X0Y.
Составляющие волнового вектора в неподвижной системе коор-
динат, к(кх,кг) при произвольных углах крена и дифферента
0х,0у связаны с составляющими к'х,к'.,к, преобразованием.
кх = к’х cosey + (—Л' sinG,. + fc/cosepsine,,
ку = A''cos0y+^sirl0v-
к; =-<sin0.t + (-/:'sin 0,.+&,zcos0v) cos 0t. (3-12)
Если составляющие к{,ку,к' выразить через измеряемые
разности фаз ф^ф^ф,, то с учетом равенства расстояний между
127
парами гидрофонов b и очевидных соотношений = к cos у cos 0,
к = Acosysin0. А; = Asiny можно получить формулы для опре-
деления пеленга в виде.
Р, = arcsin /•./• = В/2 W; cos у.
р, = arccos F2; К = A/2kbcosy. (3.13)
В последних выражениях использованы обозначения.
к = <о/с с - скорость звука.
5 = ф, cos0, +Ф_- sin0А = Ф, cos0K + Csin0A,
С = -ф sin0, +ф. cos0v.
В общем случае при 0А ^0, 0,. ^0 среднеквадратичная оцен-
ка измерений р,.р:, минимизирующая погрешность, имеет вид:
Р = (0,0, cos" 0, + Р2О2 sin2 02)/(О, sin2 0, + D2 cos2 02,
B>i=<^A +^C2, B>2=%+
+<50[(-фА5т0А + Ccos0A)" + В" sin" 0J. (3.14)
где a0 - погрешность измерения углов крена и дифферента,
оф ,оф -погрешности определения разности фаз ф„ ф,.
Погрешность определения пеленга Стр определяется выра-
жением:
Ср = D,D,/(D, sin2 0 + О, cos2 P)(fc2bcos у)2. (3.15)
Аналогичным образом можно записать оценки угла сколь-
жения и погрешности определения угла скольжения. Подобная
измерительная система является минимально избыточной,
оценки (3.11) являются предельно достижимыми и никакими
резервами повышения точности антенна пеленгатора с тремя
парами ортогонально расположенных гидрофонов не обладает.
Способ пеленгования источника
навигационных сигналов
с использованием круговых дискретных антенн
с большим числом элементов
Поскольку потенциальная точность пеленгаторов, состав-
ленных из двух-трех ортогональных пар с размером измеритель-
ной базы, равным половине длины волны, оказывается низкой,
128
Рис. 3.13. Пеленгатор с круговой
базой
естественным представляется
оценить возможности многоэле-
ментных пеленгаторов. Конфи-
гурация антенн выбирается из
условия однозначного пеленго-
вания. Для работы в секторе
углов 0-360° предпочтительной
является антенна с размещением
приемных гидрофонов на кру-
говой базе. Рассмотрим УКБ-
пеленгатор, измерительные гид-
рофоны которого образуют
ориентированную в горизон-
тальной плоскости круговую
базу из М элементов, эквидис-
тантно распределенных по
окружности с угловым шагом
Дф = 2п/(Л4- 1). Схема пеленга-
тора поясняется рис. 3.13.
Пусть пеленг на источник
задан углом 0, тогда угловое
распределение фазы акустичес-
кого сигнала на гидрофонах
базы, измеренной относительно фазы первого гидрофона,
описывается выражением
0„ = /гДсозР- соз(ф„ + Р)] = 2ktb sin + Р^, (3.16)
kt - проекция на плоскость пеленгатора волнового вектора, b -
радиус базы, п = 1,2,... М.
Для грубого определения пеленга достаточно измерить
максимальное и минимальное значения фазы:
, Р
ф = д-р, e„=em„=2^cos--;
ф = -р. e„=emin=-2^sin3|; (3.17)
А -и А
Ритах “г vmin
А---
итал vmin
Для точного определения пеленга нужно использовать весь
массив М экспериментально измеренных значений у„ ф
9 Автономные
129
приемниках базь. (у, = 0), для которого описание (3.16) является
двухпараметровой аппроксимирующей кривой с неизвестными
параметрами В = 2к}Ь, р. Параметр В имеет смысл волнового
размера базы, который искажен дифракцией, а потому подлежит
определению в предположении, что он не имеет угловой зави-
симости от угла пеленга Р в силу угловой симметрии круговой
базы. Параметр р является искомым пеленгом.
Введем обозначения:
С, = -Л,В2 + В,А3; G2 = В,В2- А,В3;
Л1 = тХ v„sin(P-; Bi=X v„sin2T;
2
1 т (D
В^ = 2^ sln"уSln<P";
А=|Х sil,2<P"; вз=Х sin‘'y_-
Тогда формулы для определения пеленга и среднеквадра-
тической погрешности Ср имеют вид:
tgp—21-СЛ'*'Л sin2'2L£sin2 "fsin Ч’" sin (₽»Xsin4 у-
G‘ Xvnsin<P„Xsin2^sin(Pn-£v„sin2 ^2>2 Ф„
- G2nG,)2 /(G2 + G2)2;
dGj
dG2
(3.18)
; g
гДе О, - среднеквадратическая погрешность измерения фазы
(инструментальная погрешность).
Оценим погрешность измерения пеленга ор в приближении
р < , которое всегда выполнимо, если совместить ось отсчета
углов с направлением пеленгования, определенным грубо
формулой (3.17).
В этом приближении
^Zg2,/g^ 1
во 2/1п ч>,
в20м’ в04м'
(3.19)
130
Формула (3.19) выражает конечный результат анализа в
соответствии с которым погрешность измерения пеленга с
помощью круговой базы убывает обратно пропорционально
величине волнового размера базы Во и параметру избыточности
При выборе волнового размера базы нужно учесть, что
однозначность фазовых измерении будет обеспечена, если
расстояние d между соседними гидрофонами базы не превышает
длину волны X. С учетом этого можно записать в предельном
случае d = X:
В0 = 2^<|(М-1)Х = 2(М-1), (з.2О)
X ₽ (м-1)7м ’
Столь резкое уменьшение погрешности пеленгования с ростом
числа элементов базы при постоянстве расстояния между ее
элементами позволяет реализовать точность УКБ-пеленгатора,
соизмеримую с точностью ГАНС-ДБ. Так, для рабочей частоты
f0 = 12 кГц, d = 0,6Х, (X = 0,12 м) и М= 36, геометрический размер
базы составит 2Ь = 0,8 м, а при исходной погрешности измерения
фазы ov = 16°, погрешность пеленгования и погрешность
дальнометрии составят соответственно Ор=0,17°, о/г=3 10-3.
В более общем случае, когда плоскость антенны Х'ОУ
наклонена относительно плоскости горизонта XOY под влиянием
качки на угол, соответствующий углам крена и дифферента 0,,
0}„ а угол скольжения падающей звуковой волны а произволен,
при малых углах крена и дифферента можно записать:
В2 = (kb)2 cos2 a[cos2 0О cos2 0, + sin2 0О cos0v]. (3.21)
Тогда измеренный p = arctg-^-, и искомый пеленги связаны
соотношениями
1Л^
в =S=t вСО5бу_____________------------• (322)
tg 0 8 coset 1_sinevtgev+-^-cose1.tget
В приближении малых углов крена и дифферента выраже
(3.22) упрощается:
131
(3.24)
и совместно с (3.21) определяет углы у, Ро:
2 52 cos2et +cos2e, tg2 р
cos 7 ” (to)7 cos4 e, +cos4 e,. tg2 p
Полученные формулы дают всю необходимую угломерную
информацию.
Оценки точностп пеленгования, приведенные в предыдущем
разделе, качественно сохраняются.
Решение задачи пеленгования на основе
статистических методов обработки
Приведенные выше детерминированные алгоритмы осно-
ваны на обработке фазового распределения на апертуре диск-
ретной антенны, которое явным образом связано с искомыми
параметрами углового положения объекта навигации доста-
точно простыми аналитическими соотношениями. Расчетные
значения погрешности, приписываемые получаемым значениям
углового положения объекта, определяются конфигурацией
антенны и погрешностью измерения фазы в канале. Очевидно,
такая схема решения задачи неполна, поскольку не содержит
всей информации о структуре принимаемого сигнала. Полная
информация должна включать как оценки параметров сигнала
(амплитуду, фазу, время прихода) так и параметры помеховой
составляющей (дисперсию или отношение сигнал/шум). В этом
случае более эффективной становится статистическая обработка
всего объема принимаемой информации. При выборе реалисти-
ческой модели шума и его характеристик можно говорить об
оптимизации всей обработки данных. При этом открываются
возможности по оптимальному конфигурированию антенны.
Критерием оптимальности может стать минимизация величины
случайной составляющей погрешности определения пеленга и
угла места, полученной при минимальном числе каналов обра-
ботки (элементов антенны).
В основе решения лежит вычисление отношения правдо-
подобия I, которое связывает плотность вероятности
принимаемой реализации у при наличии полезного сигнала с
параметром а и помех, и плотность вероятности принятой
реализации при наличии только помех. Воспользуемся эле-
ментами теоретических положений, хорошо известных в технике
обработки радиолокационной информации [26], для решения
задач пеленгования в гидроакустических УКБ-системах.
132
Оптимальная оценка навигационного параметра соответст-
вует максимальному значению логарифма отношения правдо-
подобия пропорционального модулю корреляционной весовой
суммы. Корреляционная весовая сумма при обработке всех
каналов антенны представлена в виде
м
Z = £ V0xm(a)/o2, (3 24)
т = 1
где Х»г — выборка сигнала, принимаемого /n-м каналом Со-
временная составляющая опорного сигнала, представленная в
виде суммы квадратурных составляющих, — дисперсия шума в
/и-том канале, /и - пространственный индекс, М- число
элементов в антенне. В выражении (3.24) х(а)7" = (хт(а)} опре-
деляет опорный сигнал как функцию геометрического разме-
щения элементов антенны и значений измеряемых угловых
параметров. Фактически это основная характеристика антенны,
используемая при решении задачи, которая дает распределение
характеристик плоской звуковой волны на всех элементах
антенны как функцию углов от нормали к плоскости прини-
маемой акустической волны. При оценке пеленга р и угла места
у после выравнивания амплитудных характеристик каналов эту
функцию можно записать в виде
х"г(р,у) = {е”|вл|(₽’т>}, т = 1...М, (3.25)
где О„,(Р,т) - компоненты функции, определяющей задержки
фазы опорного сигнала на элементах антенны относительно
точки приведения.
Функция 6(P,Y) = (em(P,Y)} названа фазовой функцией
антенны.
Из (3.24) следует, что первым этапом обработки данных в
каждом канале является квадратурная обработка принимаемой
реализации с определением z,„ в каноническом виде:
(126)
где <р„- это распределение фазы принимаемого навигационного
сигнала на элементах антенны, I zm I - модуль корреляционно
весовой функции, пропорциональный энергии сигнала, прими
маемого в каждом канале.
Корреляционная весовая сумма
далее преобразована к виду
м 1
Z = £ ^,exp[i(<pm+6m(P-Y))]-
т = I
(3.27)
133
Фактически (3.27) имеет ясный физический смысл и озна-
чает, что для решения навигационной задачи в каждом приемном
канале УКБ-системы обязательным является нахождение фазы
сигнала и отношения сигнал-шум. Кроме того, для решения
задачи необходимо располагать информацией о фазовой функ-
ции антенны. Наличие взвешивающего коэффициента q;n для
описания качества фазовой информации, и использование при
обработке данных результатов градуировки антенны 0(0,у)
коренным образом отличает предлагаемую идеологию обра-
ботки от ранее описанных алгоритмов. При суммарной обработ-
ке всех каналов оценка искомого пеленга получается из решения
уравнения:
М-1 М Дд
££ С?*-^5'п(Фы+ежДРл)) = 0- (3.28)
т=1*=2
W <рт* =фт-Ф*, 0т* =0т-0*-
Таким образом, для гауссовой модели шумов в каналах, не-
зависимо от конфигурации приемной антенны, оптимальная об-
работка данных, целью которой является определение углового
положения объекта навигации, сводится к решению уравнения
(3.28) относительно искомого параметра. Решению уравнения
должны предшествовать определение уровня шумов, амплитуды
и фазы сигнала в каждом канале и градуировка антенны с целью
определения ее фазовой функции. Физический смысл уравнения
состоит в том, что искомый пеленг получают как результат взве-
шенного усреднения пеленгов, получаемых при обработке
данных каждой парой элементов антенны с учетом геометри-
ческого и энергетического весовых коэффициентов. Геометри-
ческие весовые коэффициенты отражают крутизну фазовой
характеристики соответствующей пары элементов в окрестности
ожидаемого значения угла.
Для полного описания обрабатываемых данных получим так-
же расчетные соотношения для определения дисперсии опре-
деления пеленга, которая является параметром точности теку-
щего измерения.
(oPr'- £ X ^^°8(Ф,„*+Ф,Д^М . (3.29)
(m=l *=2 L ЭД J 1“ "Ч
В выражении (3.29) величина —пропорциональна волно-
У размеру измерительной базы, образованной соответствую-
134
щей парой приемных элемен-
тов антенны, поэтому диспер-
сия погрешности измерения
пеленга обратно пропорцио-
нальна энергетическому отно-
шению сигнал/шум и квадрату
размера базы. Выражения
(3.28) и (3.29) являются основ-
ными для описания произволь-
ной пеленгационной антен-
ны. Для получения расчетных
формул необходимо задать
фазовую функцию для кон-
кретной конфигурации прием-
ной антенны.
Рис. 3.14. Геометрия лииейяой
антенны
Линейная многоэлементная антенна
Пусть имеется линейная эквидистантная приемная антенна с
периодом kb, а 0 - угол, отсчитываемый от нормали антеннь
(рис. 3.14). Компоненты фазовой функции антенны запишутся г
простой форме:
Qm = -kb sin0(M-m).
После подстановки в (3.28) получим оптимальную оценку
пеленга из решения уравнения:
X X sin[<Pm*-kbs'm^k-m')]cosf>(k-m) = 0. (3.30)
I п = I к~2
Если начальное приближение близко к оптимальной оценке,
то уравнение упрощается:
>л=1 к=2
откуда следует:
sinP=[x X
(м-1 м ,3
х х X
\л1к1 к=2
(3.31)
135
В случае идентичных каналов <?„, полечим
sin0 = [A7(A/2X X Ф»-*/^(Л-'")[
\ т=\ к = - '
Соответствующая оценка погрешности единичного измерения
найдется из выражения.
Ли-i А'"
о’2 =(tocosp);l q~„ I х
х£ X <7k2cos«p„,A-kbs^(k-,n)Xk-,n)2. (3.32)
т=1 к=2
При q;„ = q% это уравнение приводится к известному виду [26]:
Gp2 = (kbcos Р)2<7о(М‘-1), (3.33)
определяющему потенциальную точность измерения пеленга.
Следует отметить, что при обработке данных в приведенных
уравнениях необходимо знать полную фазу измеряемого сигнала,
т.е. ограничить размер измерительной базы величиной kb < л.
Это ограничивает точность системы при небольшом числе
приемных каналов.
Как отмечалось, важным шагом для увеличения точности
пеленгационных систем стало применение антенн с большим
числом элементов, размещенных на круговой базе, причем для
однозначного определения пеленга элементы расположены с
шагом, равным половине длины волны. При большом числе
элементов (приемных каналов) точность угловых измерений в
системе достигает десятых долей градуса. Эта конфигурация
наиболее перспективна и поэтому рассмотрим подробнее ее
характеристики.
Антенна с произвольным числом элементов
на круговой базе
Рассмотрим круговую антенну диаметром 2кЬ с равномер-
но распределенными по окружности М точечными элементами
(рис. 3.13),
Пеленг определим относительно линии, связывающей центр
антенны и приемный элемент с номером 1. Компоненты фазовой
функции, дающие распределение фазы по окружности антенны
136
относительно центра антенны будут ИМеть ВИД:
(Р) = -kb cosl" (т -1) _ |ч"|
° PJ- (3.34)
С учетом этих соотношений получим уравнения пп
деления пеленга и дисперсии погрешности^ - - Опре'
ственно:
измерений
соответ-
m=l к = 2 \_М J
xcos ^•(м + /:--2)-р'| = 0,
„~2_ (kb)1 V ” 2 2
X £ ",=| 4=2
(3.35)
(3.36)
гДе V,„* =2tosin -~{к-т) sin — (w + * - 2) - pl,
LM J \_М J
^тк ~ ~ C0S[t7 " m)]| I1 ~ C0S[ (ОТ + ^ - 2) - Р^||.
Полагая <?2 = q^, после упрощений получим потенциальную
оценку точности:
Gp2 = (kb?q%M.
Как следует из этого выражения, погрешность не зависит от
направления прихода сигнала и ориентации антенны. Кроме
того, при неизменном размере базы потенциальная точность
увеличивается пропорционально квадратному корню из числа
элементов антенны.
Двухшкальная антенна
На основании общих выражений для определения пеленга и
дисперсии можно получить расчетные выражения для описания
любой достаточно сложной антенны. Так, уже отмечалось, что
одним из методов увеличения точности УКБ-систем является
применение приемных антенн с двухшкальной измерительной
базой. Малая база обеспечивает грубое однозначное пеленго-
вание, большая уточняет полученное решение. Пусть шестнэле-
137
Рис. 3.15. Антенна с дпухшкалыюн
измерительной базоп
ментная антенна конфигурирова-
на в виде 4-х элементной круговой
базы, радиусом ^ = ~' 11 паРь’ До-
полнительных элементов, разне-
сенных по ортогональным на-
правлениям от центра антенны на
расстояние 2А. (рис. 3.15). Фазовые
задержки относительно центра
круговой базы определяются в
соответствии с принятой геомет-
рией антенны выражениями:
02 = to sin 0, 03=-0,,
04 = -02, е5 = -80,, 06 =80,.
Если каналы идентичны, q2m = q%, то оценка потенциальной
точности системы при использовании предлагаемой антенны
имеет вид:
а2 =______™______
₽ 55,3<?‘(to)2'
Для решения точного уравнения пеленга необходимо исполь-
зовать начальное приближение, которое получим при обработ-
ке данных, принимаемых малой (круговой) базой. Причем
дисперсия этой оценки для идентичных каналов составит
°ро ~
1
292(to)2
. Таким образом за счет введения двух дополни-
тельных элементов для приема навигационных данных точность
системы увеличена более чем в пять раз —= 5,25 . При q02 =
= 20 дБ и to = — (при таком радиусе обеспечивается однозначное
грубое пеленгование круговой базой) оценка потенциальной
точности системы с такой антенной < 0,5°.
На основании расчетных формул полученных в этом разделе
можно сделать сравнительный анализ детерминированных и ста-
138
тис'гичсских методов обработки. Для детерминированных мето-
дов харакгсрпо определение пеленга по любой возможной ком-
бинации пар элементов с усреднением результатов на основе
геометрического взвешивания [2; 27]. Для работы алгоритма
необходимо знать распределение полной фазы сигнала на ан
тенне и геометрию антенны. При статистических методах оценка
искомого параметра получается в виде оптимальной процедуры
при которой измеренное фазовое распределение с минимальной
среднеквадратичной ошибкой аппроксимируется фазовой
функцией антенны. Причем, при решении соответствующего
уравнения, пеленг определяется путем совместной обработки
всех пар каналов, взятых с различными весами. Весовые
коэффициенты содержат как геометрическую составляющую,
равную производной фазовой функции по измеряемому
параметру, так и энергетическую, равную действующему в
канале отношению сигнал/шум.
Особое место в обработке данных принимает знание фазовой
функции антенны. В приведенных формулах при определении
фазовой функции мы исходили из того, что антенна состоит из
идеальных дискретных точечных элементов. Это позволяло
записать фазовую функцию в простом аналитическом виде. На
практике, за счет дифракции звука на антенне, это описание
становится неточным и его необходимо уточнять экспе-
риментально при градуировке антенны. Далее более подробно
рассмотрено влияние неточного описания антенны.
Конфигурация антенны
и оценка потенциальной точности
Проведем сравнительный анализ потенциальной точности
УКБ-систем, оснащенных различными многоэлементными ан-
теннами. При выводе выражений для пеленга и случайной со-
ставляющей погрешности измерений антенны представлялись в
виде геометрических фигур правильной формы, составленных из
дискретных точек - гидрофонов. Такая идеализация описания
антенны позволяет на начальном этапе проектирования сделать
ряд важных оценок, определяющих структуру и параметры все
навигационной системы: проанализировать влияние ко ф
рации антенны, установить необходимое число канал° ,
ботки, размещение элементов и необходимость устр
зовой неоднозначности. Расчетная модель позв°л”^ йпичем
данные для выбора оптимальной конфигурации а т ’ фН_
оценка потенциальной точности системы для выбранной коифи
139
Таблица ЗЛ. Оценки случайной состав для ряда антеиду ляющей погрешности
Вид антенны Максималь- ный размер Число каналов обработки Оценка по- грешности, град.
Двухэлементный прпемник А/2 Четыре элемента на круговой Т2Х/2 4 ’* базе с 2 6 Четыре элемента на круговой X базе и пятый элемент в центре Шесть элементов на круговой X ’ базе s , 6 Восемь элементов на круговой 1,31А базе л iz Тридцать шесть элементов на 5,74X ’ ° круговой базе
гурации будет определяться только отношением сигнал/шум в
каналах приемника.
В таблице 3.4 приведены оценки случайной составляющей
погрешности для ряда антенн при отношении сигнал/шум q = 10
дБ. Отношение сигнал/шум выбрано одинаковым для всех
каналов. Расстояние между элементами выбрано из условия од-
нозначного определения пеленга. Совершенно очевидно, что
увеличение объема избыточной информации, которое присуще
многоканальным системам, с одновременным увеличением
размера измерительной базы, ведет к увеличению потенци-
альной точности системы. Так, для М = 36 оценка точности
составляет Ор= 0,16°, которая уже сравнима с точностью ГАНС-
ДБ. Этот экстенсивный метод увеличения точности для прак-
тических целей видимо мало перспективен, прежде всего, из-за
значительного роста объема аппаратуры.
Более перспективным представляется использование в УКБ-
системах разреженных антенн, имеющих небольшое число эле-
ментов, но размещенных на базе большого волнового размера.
Причем размер базы выбирается из условий обеспечения не-
обходимой точности, а число элементов - из условия опти-
мального объема возможных аппаратных средств. Однако, если
расстояние между элементами превышает Х/2, то в таких си-
стемах возникают проблемы неоднозначного определения фазы
и соответственно, пеленга. Действительно, если для двухэле-
гъ”Т'п°Г0 пРиемника измерительная база велика, например
kb-5K, то <р = ttsin р = 6itsinp. Тогда, при изменении пеленга в
диапазоне р = 0-360°, диапазон изменения полной фазы составит
140
Таблица 3.5. Оценк„ потенциальной точности
Вид агпсппы Число лож- ных пеленгов Число каналов обработки Оценка по- грешности, град.
Двухэлементный приемник 5 2 0,48 0,48
Четыре элемента на круговой базе 4 4
Четыре элемента на круговой базе и пятый элемент в центре 2 5 0,43
Шесть элементов на круговой базе 2 6 0,40
Восемь элементов на круговой базе 2 8 0,34
Ф = [-6л, 6л], в то время как измерения фазы обеспечиваются
только в диапазоне ф = [-л, л]. Это приводит к шести равно-
значным оценкам пеленга. В таблице 3.5 приведены оценки
потенциальной точности для ряда разреженных антенн при
отношении сигнал/шум в каждом канале. Максимальный размер
базы - ЗХ задан одинаковым для всех антенн.
Как следует из таблицы, для разреженных антенн удовлет-
ворительная точность может быть достигнута при небольшом
числе каналов, если иметь механизм устранения неоднозначности
при определении пеленга. Рассмотрим подробнее возможности
круговых антенн.
При обработке данных в системе с разреженной антенной
определение пеленга должно выполняться в два этапа. На пер-
вом устанавливается сектор обзора. Антенна в этом случае ра-
ботает как обычный амплитудный пеленгатор, скомпенсиро-
ванный в направлении источника сигналов. Разрешающая спо-
собность такого пеленгатора определяется остротой максимума
ХН круговой дискретной антенны.
При формировании оценки направления на источник нави-
гационного сигнала, обеспечивающей устранение неоднознач-
ности нахождения пеленга, выполняется обработка, суть ко-
торой состоит в поиске оценки Ро, для которой характеристика
направленности антенны
Г(Ро) = X Л-" exP(i(<₽"' " (337)
/11 = 1
где cos|~ 2л(т-1) _ ро 1 компенсируемая в направлении
\_ М J
Ро, имеет максимальное значение.
141
Поиск проводится в диапазоне углов 0-360° с мелким (одни-
пва гоадуса) шагом. Значения функции / 0 для ирипягого на-
бора амплит .4,,, и фаз <р„, максимально при когерентном
сложении сигналов. Однозначное определение направления при
компенсации характеристики направленности на источник сиг-
нала обеспечивается, если характеристика направленности при-
емной антенны имеет один главный максимум, а уровень бо-
ковых лепестков меньше на 4—6 дБ. Для антенны с круговой
базой с эквидистантно размещенными на ней М-приемными
элементами вид характеристики направленности в плоскости
антенны определяется числом элементов, волновым расстоянием
между ними и зависит от угла компенсации. Для оценки
направленности такой антенны ее можно представить в виде
эквивалентной линейной дискретной решетки с неэкви-
дистантным расположением элементов и амплитудно-фазовым
распределением, зависящим от угла компенсации. Как известно,
неэквидистантное расположение элементов позволяет форми-
ровать характеристики направленности, не имеющие добавоч-
ных максимумов, равных основному даже при значительном
разрежении антенны. Условием правильного определения нап-
равления при фазировании является превышение уровня ос-
новного лепестка характеристики направленности над боко-
выми при различном числе элементов антенны и расстоянии
между ними. Далее полученное значение используется в качест-
ве начального приближения при решении уравнения пелен-
га [28].
3.4. МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ УКБ-СИСТЕМ
Оценка погрешности определения угловых величин - основ-
ная метрологическая проблема разработки ультракороткоба-
зовои системы. Для оценки угловой погрешности возможны два
варианта. Первый - сквозная калибровка ГАНС-УКБ в рамках
внешней навигационной системы с известной погрешностью
методом сравнения ъ реальных условиях работы. Естественные
ограничения такой методики - сложность эксперимента и
ость опРеделения погрешности для любого значения
тТОрОЙ ваРиант основан на поагрегатной градуировке
тгтачп акои метод дает возможность оценить вес отдельных
пазпяб<-|Я^ЦИХ В величине суммарной погрешности. На этапе
разработки системы выявление источников погрешностей позво-
142
ЛИСТ также оперативно скорректировать конструкцию или
структурную схему. Кроме того, ряд таких градуировочных
работ можно выполнить в строго контролируемых внешних
условиях и оценить потенциальную точность всей системы
Как показали проведенные исследования, точность системы
определяется в основном характеристиками антенны Антенна
выполняет пространственную обработку, связывая распреде-
ление сигнала на апертуре с угловым положением источника,
а конфигурация антенны определяет погрешность вычисления
пеленга при обработке многоканальной информации. Эта
погрешность может быть минимизирована при выборе опти-
мальной конфигурации - числе элементов, пространственном
размещении элементов, межэлементном расстоянии. Кроме
того, антенна является основным звеном в аппаратуре измерения
параметров принимаемого акустического сигнала. Каждый
гидрофон приемной антенны выполняет акустоэлектрическое
преобразование сигнала, и погрешность измерения фазы
акустического сигнала в каждом электрическом приемном
канале зависит от степени идентичности фазочастотных характе-
ристик гидрофонов, но определяется в основном дифрак-
ционными искажениями сигнала на конструкции конкретной
антенны. Эта погрешность является, по существу, технологи-
ческой, но может значительно превышать погрешность изме-
рения фазы, обусловленной действием шумовой помехи в
канале.
Суммарная погрешность системы зависит также от ряда
факторов, которые трудно учесть в рамках расчетных моделей.
Во-первых, фронт падающей на антенну акустической волны
должен быть плоским и флуктуации фазы на апертуре антенны,
обусловленные случайным рассеянием фронта в неоднородной
среде, должны быть значительно меньше ожидаемых погреш-
ностей. Во-вторых, конструкция антенны, размер приемных
элементов и их акустический импеданс не должны искажать
принимаемую акустическую волну. Первое условие для У
антенн выполняется, как правило, почти всегда. Дифрак
ционные же искажения практически неизбежны [- J. hi
должны быть определены при градуировке антенны и учтены в
виде табулированных систематических погрешносте . та ча
разработки навигационной системы, как показывает опыт, яв
ется наименее прогнозируемой и требует значительных с
но определяет итоговую суммарную погрешность систем
143
Фазовая функция несовершенной
многоэлементной приемной антенны
При обработке навигационных данных используется понятие
пространственной фазовой функции антенны. Компоненты этой
функции - фазы плоской волны на соответствующих элементах
антенны, относительно ее фазового центра. Фазовая функция
устанавливает однозначную связь фазового распределения на
апертуре антенны в зависимости от нормали к волновому
фронту плоской волны. Если антенна состоит из дискретных
точечных элементов, геометрическое положение которых жес-
тко зафиксировано, то компоненты фазовой функции для антен-
ны достаточно сложной конфигурации описываются точными
аналитическими соотношениями. Однако такое аналитическое
описание годится только для оценки потенциальных воз-
можностей системы и оценки случайной составляющей погреш-
ности. Принципиальной является оценка возможности формиро-
вания точной фазовой функции для реальной конструкции
антенны с учетом дополнительных источников погрешностей,
оценить которые в рамках принятой модели достаточно сложно.
В реальной конструкции нарушения аналитических соотно-
шений становятся источниками систематической погрешности.
При практической разработке действующего образца навигаци-
онной системы определение фазовой функции становится одним
из важнейших этапов проектирования. Суть проблемы можно
пояснить, рассматривая двухэлементный приемник. Если обра-
титься к общему уравнению пеленга (3.28), то для двухэле-
ментного приемника это уравнение после преобразований при-
обретет вид:
Ф12-612(₽) = 0, (3.38)
где ф12- разность фаз, измеренная в каналах приемника,
6i2<P)=6i(P)-e2(p), е,(р). е2(р) - компоненты фазовой функ-
ции антенны, связывающие искомый пеленг и фазовую инфор-
мацию. J
Предположим, что принимаемая плоская волна не де-
формируется на конструкции антенны. Тогда связь искомого
пеленга и фазового распределения однозначна, и компоненты
выражаются аналитическими соотношениями
6>(P) = fcbsmp, e2(p) = -fcbsinp. Следовательно,
0i2(P) = 2tosinp, (3.39)
и пеленг определяется из уравнения (3.28), которое принимает
144
привычный вид
012 = 2/cbsinp.
В реальных условиях ситуация значительно хуже
деления компонент фазовой функции антенны
оф) = _ь sjn р
(3.40)
опре-
(3.41)
необходимо точно знать частоту/, базовое расстояние b и ско-
рость звука с в точке размещения антенны. Если эти величины
определены с погрешностями О/, о,, о, соответственно, то
компоненты фазовой функции для выбранного значения пеленга
также определяются с погрешностью:
_2 • 2 of 2 4я2/>2 , СО2 ,со2ь2>)
Оф-Sin pl ++ I (342)
Очевидно, самый значимый вклад вносит погрешность уста-
новки измерительной базы. Еще более велико влияние диф-
ракции на приемных элементах, размеры которых не могут
считаться бесконечно малыми, и влияние конструктивных эле-
ментов антенны. В самой антенне на величину и угловую за-
висимость погрешности влияют обтекатель, точность установки,
размер и акустический импеданс приемных элементов, пара-
зитные акустические связи по элементам конструкции.
Таким образом, при обработке данных для решения урав-
нения пеленга и оценки дисперсии необходимо определить фа-
зовую функцию конкретной антенны. Экспериментальные
исследования характеристик многоэлементных антенн стано-
вятся обязательным этапом разработки УКБ-систем с высоким
разрешением. В результате градуировки определяется система-
тическая составляющая погрешности всей навигационной си-
стемы. Эта погрешность определяется как разница между зада-
ваемым пеленгом и расчетным, полученным при обработке
данных системой с использованием экспериментальной фазовой
функции. Опыт показал, что при большом числе элементов ан-
тенны экспериментальную фазовую функцию антенны следует
представлять как аналитическую функцию, аппроксимирующую
фазовые данные, получаемые при градуировке антенны. Массив
получаемых в этом случае погрешностей оказывается доста-
точно маломерным и достоверным, поскольку наряду с погреш
ностями, вносимыми антенной, при табуляции спстематическо!
погрешности будут учтены погрешности обработки данных.
ю Автономные
145
К последним относится погрешность аналого-цифрового
преобразования сигналов, погрешности преобразования осей
координат при наличии крена и дифферента осей ап юнцы,
фиксируемого соответствующими датчиками, ограниченности
времени обращения к сигналу и т.д. Измерения выполняю гея прн
высоком (q > 20 дБ) отношении сигнал/шум, чтобы можно было
пренебречь случайной составляющей.
Экспериментальные исследования точности антенн
в лабораторных условиях
Далее приведем результаты метрологического исследования
антенны, которая используется в составе разработанной нави-
гационной системы. Конструктивно антенна выполнена в виде
круглой тонкой пластины с осесимметричным размещением
семи отдельных сферических гидрофонов. Внутренний объем
каждого гидрофона заполнен жидкостью. Волновой размер
измерительной базы 2кЬ = 652° волновой размер гидрофона
2/м = 60°. На рис. 3.16 приведены экспериментальные фазовые
характеристики антенны (штриховые линии с точками),
разделенные на семейства в соответствии с размером
диагональной базы между всеми возможными парами гидро-
фонов в антенне. Теоретические размеры измерительных баз
для рабочей частоты 12,5 кГц и скорости звука 1450 м/с
составляют для малой, средней и большой базы соответственно
283°, 510° и 636°.
Аппроксимация экспериментальных данных выполнена
гармоническими зависимостями, которые, например, для боль-
ших баз принимают вид:
®is(P) ~ tocosy^cosP- cos^—— p^j = 636 sin(— — P^cosy.
Эти зависимости нанесены сплошными линиями на рисунках. В
приведенных выражениях у = arctg(AH / D) - вертикальный угол
прихода сигнала, D - дистанция и АН - разница глубин излу-
чателя и приемника. Определенные здесь компоненты фазовой
функции антенны применяются далее для расчета пеленга Р 0
оценки систематической погрешности ДР = Р-|3, где Р - зада-
ваемый пеленг, отсчитываемый на лимбе прецизионной пово-
р ной платформы. При вычислении пеленга р используется
146
Рис. 3.16. Фазовые характеристики антенны для различных пар
элементов антенны
точное уравнение пеленга, заданное выражением (3.28). Это
Уравнение содержит 21 слагаемое и описывает процедуру пе-
ленгования антенной состоящей из семи больших баз, семи
средних и семи малых баз. Вклад каждой базы зависит от ее
ориентации относительно направления прихода сигнала и раз-
мера.
На рис. 3.17 представлена погрешность пеленгования в гори-
зонтальной плоскости во всем диапазоне горизонтальных углов и
147
Рис. 3.17. Систематическая составляющая погрешности определения
пеленга
для ряда вертикальных углов, измеренная в условиях гидро-
акустического бассейна при высоком отношении сигнал/шум.
Приведенная зависимость связывает значения установлен-
ного пеленга и результаты его определения, т.е. является харак-
теристикой антенны и принятого алгоритма обработки данных.
Эта погрешность, максимальное значение которой достигает
0,5°, является систематической, определена в контролируемых
условиях, протабулирована и учитывается при работе системы.
Экспериментальные исследования характеристик
ГАНС-УКБ в натурных условиях
Оценки основных характеристик ГАНС-УКБ могут быть
получены в натурных условиях на основе прямого сравнения с
соответствующими данными другой гидроакустической навига-
ционной системы, например ГАНС-ДБ. Эти работы могут быть
14В
«а
<u
2
2
о-шад-восток, м Восток-запад, м
ГАНС-ДБ ГАНС-УКБ
Рис. 3.18. Траектория движения АНПА в мелком море по данвым
ГАНС-ДБ и УКБ
проведены в условиях мелкого или глубокого моря. На рис. 3.18
приведены несглаженные траектории движения АНПА,
полученные при независимой синхронной работе ГАНС-ДБ и
ГАНС-УКБ при испытаниях системы в мелководной бухте.
Ряд результатов, необходимых для оценки угломерных ха-
рактеристик ГАНС-УКБ, можно получить без привлечения
вспомогательных навигационных систем с использованием не-
которых аналитических соотношений, связывающих угловые и
дальномерные данные. Это упрощает процедуры оценки точ-
ности угловых измерений, если известны пли заданы некоторые
параметры движения АНПА, а дальномерные измерения
выполняются с высокой точностью. В мелководном случае такая
схема работ проще всего реализуется, если АНПА движется
равномерно относительно неподвижной приемной антенны.
Предположим, что АНПА совершает прямолинейный равно-
мерный галс с пересечением точки траверза от места распо-
ложения приемника. При движении накапливаются массивы
дальномерных (О*.} и угломерных (Р*) данных, поступающих с
периодом следования навигационных импульсов Т. Для принятых
149
Рис. 3.19. Фрагмент траектории
дальностей определяется модуль скорости V как величина,
обеспечивающая минимальную среднеквадратичную ошибку
аппроксимации реальных дальномерных данных расчетной
зависимостью, соответствующей условию прямолинейного
движения с привязкой по измеренным траверзным значениям
дальности и пеленга. Затем вычисляются текущие изменения
пеленга для модели движения АНПА со скоростью v и осред-
ненное расчетное изменение пеленга на прямолинейном галсе в
соответствии с выражением
О П [ Dq + Dl — (kTv)2 1 .qx
Pi = Po + arccos/ —y —- — I (3.43)
I J
где Do и Po - начальные значения дальности и пеленга, Dk-
текущая дальность и Pi - текущий пеленг.
На рис. 3.19 приведен фрагмент траектории движения
АНПА в мелководной бухте и модельной траектории, соот-
ветствующей скорости v = 0,57 м/с.
Приемная антенна ГАНС-УКБ расположена в начале ко-
ординат, траверзное расстояние 229 м, траверзный пеленг - 121 °-
150
200
Рис. 3.21. Приращение текущих пеленгов по реальным н модельным
данным
На рис 3.20 приведены осредненное расчетное изменение
пеленга на прямолинейном галсе в соответствии с выражением
(3.43) и соответствующее изменение реальных данных.
Оценка суммарной погрешности на выделенном галсе не
превосходит 2°, при этом погрешность единичных измерений
пеленга достигает (4-6)°. Подробную оценку точности еди-
ничного измерения пеленга можно дать, сравнив расчетные и
реальные характеристики текущего приращения пеленгов,
которые приведены на рис. 3.21.
Дифференциальные характеристики дают возможность
оценить погрешность единичных измерений, а также суммарную
погрешность определения пеленга и дистанции. Это позволяет
организовать локальную поверочную схему ГАНС-УКБ по
151
данным GPS. Опорными метрологическими характеристиками
являются дальность и оценка погрешности определения даль-
ности. Схема точностной поверки ГАНС-УКБ предполагает
обработку навигационных данных, полученных при движении
АНПА по заданной траектории в условиях мелководной бухты,
при штатной работе ГАНС-ДБ и ГАНС-УКБ и контроле ряда
точек траектории по данным GPS.
Первый этап точностной поверки - градуировка акватории с
определением относительной погрешности измерения дальности.
Для этого АНПА всплывает на поверхность и принимает
обсервацию по данным GPS (д', у,} на ряде точек траектории,
которая параллельно рассчитывается средствами ГАНС-ДБ,
Затем определяется положение выделенных точек траектории
по данным ГАНС-ДБ {х,-, у,) и формируется оценка абсолютной
ошибки выделенной точки о„ которую в пренебрежении
ошибкой GPS можно записать в виде:
о2 =(x,.-x,')2 + (у,-у,')2.
Далее полагая, что оценка относительной погрешности даль-
ности о, не зависит от дальности (это соответствует введению
постоянной эффективной скорости звука на акватории аттеста-
ции), возьмем оценку абсолютной ошибки расчета точки на
траектории по данным ГАНС-ДБ с использованием трех маяков
в виде
fc=l
где Dlk- эффективное значение дальности A-того маяка, прини-
маемое при расчете i-той точки траектории. При усреднении
относительной погрешности по всем точкам обсервации I по-
лучим необходимую оценку:
2 _ 1 v 2
15 °' ’
Для иллюстрации представим результаты расчета погреш-
"итИО0?МереН"Я дальности, полученные при запуске АНПА
в мелководной бухте. Для определения погрешности
мерения дальности при проведении градуировки на рис. 3.22
мннымВСРЧЫгТРаеКТ°РИЯ ГАНС-«Б и точки обсервации по
к-nnnntru п УД0ВаЯ пРиемНая антенна расположена в начале
Р ат. Для выделенных пяти точек на траектории их коор-
152
1500
Рис. 3,22. Траектория движения АНПА ио данным ГАНС-ДБ и по дан-
ным GPS
динаты в локальной системе координат и оценки абсолют-
ной ошибки даны в табл. 3.6. Эффективные дальности при
расчете координат с использованием маяков 1-3 и соответствую-
щие оценки погрешности измерения дальности приведены в
табл. 3.7.
Таблица 3.6. Сравнительные данные определения координат
н оценки погрешности
Номер точки GPS ГАНС Погрешность
х, м | у. м х.м м а,, м
1 -333 993 -353 975 27
2 -1430 601 -1452 606
3 —472 1099 -442 105S 51
4 -1527 699 -1557 6S7 32
5 -535 427 -543 438 14
153
Таблица 3.7. Траекторные измерения дистанций до МО
и нх относительная погрешность
! Номер точки
1 Номер маяка 1 Lj L 3 4 5
1041 2088 1240 2175 1393
1 2 2551 1705 2533 1823 2154
3 2828 3075 1940 3206 2389
! 5Г 10-’ 6.83 5,38 9,43 9,80 3.99
При проведении метрологических работ в условиях глу-
бокого моря следует вначале оценить характеристики ГАНС-
УКБ путем сравнения с соответствующими данными ГАНС-ДБ
(рис. 3.23). На рисунке приведены соответственно пеленги и
горизонтальные дальности по результатам работы обеих систем.
Р ч г* Время
ГАнГлб “BAn^ev^H гоР“альиых дальностей но данным
ГАНС-ДБ и ГАНС-УКБ нри пуске АНПА в глубоком море
154
Гортон мльная дальность УКБ-системы вычислена по ре-
зультатам измерения наклонной дальности и угла места ГлТбинч
моря составляла 2500м. Положение приемной антенны УКБ
системы относительно маяков-ответчиков определялось по
данным АНС ДБ (положение судовой антенны ГАНС ДБ) В
условиях глубокого моря при построении траектории движения
АНПА в горизонтальной плоскости точность определения
пеленга зависит от измеряемого угла места. Для выделенного на
рис. 3.23 фрагмента траектории значение угла места составляло
от 85° до 55°. Это приводит к уменьшению эффективного раз-
мера горизонтальной базы антенны и увеличению погрешности
при определении пеленга. Поскольку точность дальномерных
измерений как минимум на порядок выше точности угломерных
данных, для типовых фрагментов траектории АНПА можно
использовать аналитические соотношения между дальностью,
углом места и пеленгом, чтобы выполнить поверку угломерных
измерений по дальномерным данным.
Приведем ряд экспериментальных данных, полученных при
пуске АНПА в глубоком море. Измеряемые навигационные па-
раметры - наклонная дальность, пеленг и угол места накапли-
вались в течение трех с половиною часов с навигационным
периодом 30 с. За это время АНПА совершил погружение под
балластом до глубины 2000 м, выполнил зависание на этой
глубине, погрузился под двигателями до дна иа глубину 2500,
провел исследовательские работы у дна и всплыл, сбросив
балласт. На рис. 3.24 представлена картина дифференциальной
изменчивости наклонной дальности (приращение наклонной
дальности между навигационными импульсами).
Общее число принятых навигационных импульсов около 400.
Из анализа приращения дальности отчетливо можно выделить
все фазы движения: 1 - погружение под балластом, 2 - ход и
зависание, 3 - погружение под винтами по окружности большого
радиуса, 4 - ход и зависание, 5 - смена курса и короткий галс, 6 -
длинный прямолинейный галс, 7 - зависание и ход, 8 - всплытие.
При подробном анализе фрагмента 1 (погружение под оаллас
том) расчетные данные ГАНС УКБ о глубине АНПА сравни
вались с показаниями датчика глубины бортовой навигационной
системы АНПА. Особенно наглядны сравнения дифференци-
альных характеристик (рис. 3.25). „пт1П,
Хорошее совпадение экспериментальных данныхсвиде-
тельствует о точности как дальномерных, так и у гл 1 Р '
измерений. Если антенна УКБ-системы достаточно стро
тавлена относительно вертикальной оси, то результ< у
155
Приращение
Рис. 3.24. Приращение наклонной дальности АНПА
Рнс. 3.25. Приращения глубины по данным ГАНС-УКБ и бортового
датчика глубины
измерений определяются только параметрами акустического
сигнала. Важно отметить, что величина угла места, измеряемая
при балластном погружении АНПА под балластом составляла
(80-85)°. Поскольку точность пропорциональна эффективному
раскрыву приемной антенны
OY = (q4Mkbsinty ', (3.44)
где М = 6 - число каналов, kb - волновой размер антенны,
q = (20-30) дБ - отношение сигнал-шум, то при измерении таких
углов реализуется точность, соответствующая действующему
отношению сигнал-шум, и равная, как следует из (3.44). около
одной десятой градуса.
3.5. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО
НАВИГАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА ИПМТ ДВО РАН
Состав комплекса
Состав и структура навигационного обеспечения зависят от
вида решаемых задач и оперативной обстановки. В общем слу-
чае в состав комплекса входят:
• ГАНС-ДБ, совмещенная с низкоскоростной системой теле-
управления, с дальностью 10-15 км и относительно! по
• ГАНС-УКБ, комплексированная с ГАНС-ДБ, с дальностью
действия 6-10 км и относительной погрешностью ,
• ГАСС для передачи информации по 0ДН05^°Р 4 ^бит/с ц
АНПА-ОС с дальностью 6-10 км. скоростью 4 коит/с
вероятностью ошибки 10
157
• доплеровский лаг при работе на высоте от дна 3- 70 м для
измерения двух компонент абсолютной скорости п диапа-
зоне 0-2 м/с с погрешностью 1-2%.
Навигационный комплекс содержит маякн-оiвезчикп, при-
смопередающую аппаратуру АНПА п судовой павш ациоипый
комплекс, которые в совокупности обеспечивают навигацию,
телеуправление, телеметрию и контроль выполнения миссии
путем анализа передаваемой с борта АНПА информации.
В структуре судового оборудования разделяются собственно
аппаратура, установленная непосредственно на борту судна, и
опускаемый с борта судна на кабель-тросе буксируемый гидро-
акустический антенный модуль (БАМ). Структура СНК пред-
ставлена на рис. 3.26. В буксируемом антенном модуле конструк-
тивно совмещены приемная антенна ГАНС-УКБ, приемо-пере-
дающая антенна ГАНС-ДБ, приемная антенна гидроакусти-
ческой связи. В составе модуля размещены также контейнеры с
блоками электроники и датчиками угловой ориентации.
Судовой навигационный комплекс обеспечивает решение
следующих задач:
• загрузку/инициализацию работы программ устройств БАМ;
• прием и отображение информации GPS, угловых датчиков и
глубины;
• обработку информации ГАНС-ДБ, ГАНС-УКБ, вычисле-
ние координат и отображение положения БАМ, судна,
АНПА и маяков-ответчиков;
• телеуправление АНПА через каналы ГАНС-ДБ и ГАСС;
• обработку информации ГАСС и отображение принимаемой
информации с борта АНПА (данных СТЗ и вектора со-
стояния аппарата).
В состав СНК входят: судовой блок ГАНС-ДБ, судовой блок
ГАНС-УКБ и ГАСС, один или несколько персональных
компьютеров и приемник GPS. Компьютеры подключаются су-
довым блокам через последовательный интерфейс RS-232, их
число определяется количеством решаемых задач.
Отметим некоторые особенности построения и характе-
ристики отдельных систем, входящих в состав навигационного
комплекса [30]. Технические характеристики ГАНС-ДБ пред-
ставлены в табл. 3.8. ми
Схема работы ГАНС-ДБ состоит в следующем. АНПА
„р2^ЧаеТ акУСТИческие навигационные импульсы с заданным
P одом следования, заданной частоты и длительности. Прием
" "ГаЦИ°Н:ЫХ си^налов ведется предварительно установлен-
в районе работ маяками-ответчиками и судовой приемо-
158
кабель-трос
ПК - персональный компьютер, ИП - источник питания, КИ - кабельный
интерфейс, БПО - блок предварительной обработки, ГАНС-ДБ - длинно-
базисная гидроакустическая навигационная система, ГАНС-УКБ - гидро-
акустическая навигационная система с ультракороткой базой, ГАСС -
гидроакустическая система связи, ОГ - опорный генератор.
Рис. 3.26. Структурная схема судового гидроакустического комплекса
159
Таблица 3.8. Технические хнриктсрпстпкп ГАНС-ДЬ
П^ьность действия системы при
| условиях распространения акустических uii нале
1 Частота опроса МО
I Количество МО
I Рабочие глубины
Тип МО с управлением режимом расцепления по
' гидроакустическому каналу.
Количество команд управления МО
Количество команд телеуправления
Число передаваемых параметров
Время передач» команды
Погрешность определения местоположения, в
процентах от дальности
10—15 км
12.5 кГц
3
до 6 км
многократного исполь-
зования
4
10
12
Юс
0,1
передающей антенной. МО ретранслируют навигационный сиг-
нал на собственной частоте. Борт судна и АНПА синхронизи-
рованы в момент старта АНПА. На борту судна определяются
временные задержки навигационного сигнала, прошедшего по
трассам АНПА - судовая антенна и АНПА-МО - судовая ан-
тенна. Далее, с использованием методов лучевой акустики, рас-
считывается скорость распространения акустических сигналов и
определяются дальномерные данные, необходимые для решения
навигационной задачи. Для примера на рис. 3.27 приведена
траектория движения АНПА, траектория движения обеспечи-
вающего судна и положение донных маяков-ответчиков во время
глубоководных испытаний АНПА "CR-01" в одном из районов
Тихого Океана.
Основным режимом работы ГАНС-ДБ является режим
определения координат. Кроме того, можно передавать команды
телеуправления АНПА, принимать и декодировать данные
телеметрии, переданные с борта АНПА и управлять работой
маяков-ответчиков: выключать и включать излучение, включать
режим автокалибровки донной базы, вызывать маяки-ответчики
на подъем. Для передачи команд управления судовая антенна
излучает импульсы специальной частоты. Период следования
является информационным признаком команды. Эффективная
скорость передачи информации составляет единицы бит в
секунду. Для передачи телеметрической информации с борта
АНПА используются импульсы частот запроса, задержанные
относительно опорного (навигационного) импульса на время,
пропорциональное значению передаваемого параметра.
-160
: AUU START. ,P _ GPS LWT...U Un* WAY...L _ Uleu COO...VDI st arc»... 0
GPS >Tft..G Uteu ИДУ... J Dot ИДУ...К Sr^ooibu»j,,n : пу|, др ,,,•/
| У I Q I ir> : XTFP: OPS=1115(1189] GPS=6674
Рис. 3.27. Траектория движения АНПА и обеспечивающего судна при
выполнении работ в глубоком море по данным ГАНС-ДБ
Опыт работы в условиях как мелкого, так и глубокого моря
показал высокую надежность системы. В табл. 3.9 приведен
пример работы системы телеуправления во время одного из
пусков АНПА "МТ-98" при работе в мелководной бухте. Как
следует из таблицы, вероятность ложных срабатываний соста-
вила 0,3%, вероятность пропусков - 4,3%.
Технические характеристики ГАНС-УКБ
Для достижений высокой точности навигации при разработ-
ке ГАНС-УКБ использовались многоэлементные круговые
антенны. С целью уменьшения числа каналов обработки (и соот-
ветственно числа элементов в антенне) были исследованы воз-
можности круговых антенн с разреженным размещением прием-
ных элементов. Общий размер антенны выбирался из условия
обеспечения необходимой точности, а число каналов (равное
4-8) - из требований по ограничению энергетических и массо-
габаритных ресурсов. Поскольку волновой размер измери-
тельной базы между гидрофонами превышает Л./2, то в таких
системах необходимо устранять фазовую неоднозначность. Эта
11 Ап гоном и ые
161
Дата
Таблица 3.9. Статистика работы системы
телеуправления в мелком море
I Послано команд [ Принято [ _
19.10.02 12 *
20.10.02 20 *
21.10.02 17 * *
22.10.02 22 * *
23.10.02 14 * *
24.10.02 5 *
25.10.02 5
26.10.02 13
28.10.02 27
30.10.02 18
31.10.02 22
02.11.02 36
49
03.11.02 8
31
Всего 299
12 О
19 0
17 0
20 0
14 0
3 о
5 0
12 0
26 0
18 О
20 1
33 О
48 О
8 О
31 О
286 1
проблема решается выполнением процедуры пеленгования в два
этапа.
На первом этапе грубого пеленгования определяется угловой
сектор, в котором расположен объект навигации. Антенна при
этом работает как амплитудный пеленгатор. На втором этапе
решается точное уравнение пеленга, начальным приближением
которого является значение угла компенсации при амплитудном
пеленговании (осевого угла выбранного сектора наблюдения).
При вычислении пеленга используется вся информация, при-
нятая в каждом канале системы: амплитуда, фаза, дисперсия шу-
ма. Потенциальные точностные характеристики и соответствен-
но угловое разрешение разработанной шестиканальной системы
составляют менее 0,5°.
Суммарная погрешность системы оказалась выше за счет
ряда допущений, принятых при определении пеленгационных ха-
рактеристик антенны. При решении уравнения пеленга исполь-
зуется характеристика антенны, которая связывает отклик ан-
тенны (прежде всего распределение фазы по дискретным эле-
ментам антенны) от углового положения источника сигналов.
Эта характеристика в существенной степени зависит от техно-
логического исполнения антенны, дифракционных искажений,
взаимодействия по конструкции. Определение этой характерис-
162
Л1 IDA
Рис. 3.28. Структурная схема ГАНС-УКБ
А] - излучающая антенна АНПА, УМ - усилитель мощности, ФС - фор-
мирователь сигналов, PC - профессиональный компьютер, GPS - приемник
спутниковой навигационной системы, УС - устройство сопряжения, ИП - ис-
точник питания, ПУ - Предварительный усилитель, Ат - приемная антенна.
МУ - масштабный усилитель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь,
УО - усилитель-ограничитель, Д -детектор
тики выполняется экспериментально на специализированном
стенде с табуляцией угловой зависимости систематической сос-
тавляющей погрешности. Структурная схема разработанной
УКБ-системы приведена на рис. 3.28.
Конструктивно система состоит из судового комплекса
аппаратуры, включающего подводный и бортовой блоки, и
блока излучения навигационных сигналов, устанавливаемого на
борту АНПА. Блок АНПА является общим для ГАНС-ДБ и
ГАНС-УКБ и предназначен для излучения тональных радио-
импульсов с частотой заполнения 12,5 кГц, длительностью 20 мс
и периодом следования 30 с. Уровень излучения 192 дБ относи-
тельно ЦНПа/м (4000 Па). Судовой блок и блок АНПА осна-
щены высокостабильными кварцевыми генераторами, которые
163
синхронизируются перед началом работы. Судовой блок
обработки связан одножильным кабель-зросом с подводным
блоком. В подводном блоке размещены приемная антенна в виде
шестиэлементной разреженной круговой базы, датчики угловой
ориентации антенны, шестиканальный линейный аналоговый
приемный тракт, обнаружитель, АЦП, устройства управления и
сопряжения с кабелем. Обнаружитель реализован аппаратными
средствами н обеспечивает запуск АЦП и блоков обработки при
обнаружении навигационного сигнала, излучаемого объектом
навигации. Обработка данных выполняется в такой последо-
вательности. Акустический навигационный сигнал, излучаемый
АНПА, преобразуется гидрофонами антенны ГАНС-УКБ в
шесть электрических сигналов, каждый из которых имеет свою
амплитуду и фазу, значения которых зависят от искомых
навигационных параметров - дальности, пеленга и угла места. В
момент приема навигационного сигнала фиксируются также
показания датчиков угловой ориентации антенны. Эти датчики
установлены на одной платформе с антенной.
В приемнике подводного блока выполняются фильтрация,
усиление и аналого-цифровое преобразование сигналов. Затем
цифровые отсчеты сигналов по кабель-тросу поступают в
судовой блок и специализированный компьютер. В компьютер
также вводятся данные антенны спутниковой навигационной
системы GPS. Дальнейшая обработка данных обеспечивается
программными средствами. Программно реализованы проце-
дуры фазирования, определения дальности, угла места, решения
точного уравнения пеленга, определение погрешности текущего
измерения пеленга, накопление и фильтрация дальномерных и
угловых данных. Структурно-функциональная схема обработки
данных приведена на рис. 3.29.
По функциональному назначению при обработке выделены
блок измерения параметров навигационного сигнала, блок
формирования управляемой ХН, блок расчета пеленга и угла
места с учетом текущей угловой ориентации антенны, блок
обработки и отображения навигационных данных. На вход блока
измерения параметров поступают цифровые отсчеты навига-
ционного сигнала с частотой дискретизации равной 4 частотам
несущей. Далее выполняется квадратурная обработка и опреде-
ляются фазы Ср, и амплитуды А,-сигналов в каждом канале (/ =
- 1,6). Вычисляется также отношение сигнал/шум q;, которое
определено как отношение энергии выделенного сигнала к
спектральной плотности помеховой составляющей в принятой
реализации. Измеренные амплитуды и фазы сигналов в каждом
164
c(z) Определение
----- средней
скорости
п = 1.. 256
СО5(ш0Тш,сп)
si"(“oTwcn)
У1(п)
Еу,с
EyiS ImYl
A1=(Re2+im2)l/2
ig<p=iH.
Re
У1(п)|---------------
. 1 ИэмеРитель отношения сигнал/шум
Елок измерения парапетов
«авИгадионН01.0си₽(г^гРов
Уб(п)
ЕУбС
Еуй»
Уб(п)[
курс, крен, дифферент
Определение
истинного
пеленга
Re У,
Фе
Фе
Измеритель отношения сигнал/шум |~»
Определение
относитель-
ного пеленга
с учетом
ориентации
антенны
Фш
р,
Решение
уравнения
пеленга
- Формирование
Ро управляемой
лараятервстахи
направленности
угол
У1(0) =
= У(Ч)
t = 1,-10
Система отображения навигационных данных: D, 3. Y
‘ А^= (Re2+ Im2)I/2-
ё
&
Рис. 3.29. Структурно-функциональная схема обработки данных
канале поступают в блок формирования управляемой ХН, где
выполняется грубое пеленгование и определенпе угла места.
Датчики угловой ориентации в момент приема навигационного
сигнала определяют курс, крен и дифферент осей приемной ан-
тенны. Истинные значения навигационных параметров с учетом
этих данных получают после дополнительных преобразований.
Одним из достоинств ГАНС-УКБ является возможность
эксплуатации системы в режиме сопровождения АНПА обеспе-
чивающим судном, буксирующим приемную антенну [31]. Такой
режим является основным, например, при выполнении деталь-
165
Рис. 3.30. Траектория АНПА по данным ГАНС-УКБ, полученная
в режиме движения сопровождающего судна в мелком море
ных обследований состояния подводных трубопроводов, когда
необходимо при минимальном числе пусков провести обследо-
вание многокилометровых трасс.
Пример работы системы в режиме сопровождения изобра-
жен на рис. 3.30, где приведена траектория движения АНПА
"МТ-98" (левая кривая) и траектория обеспечивающего судна
(правая кривая) при выполнении обзорно-поисковых и обсле-
довательских работ в Баренцевом море при глубине моря
100-200 м.
При выполнении миссии АНПА совершал длительный пере-
ход (около 3 часов) со средней скоростью около 0,8 м/с. Сопро-
вождающее судно двигалось переменными курсами и скоростью
до 2,5 м/с, удерживая АНПА на дистанции 1-2 км. Согласно
программе-заданию курс АНПА составлял 225°. Изломы на по-
лученной несглаженной траектории совпадают с точками смены
курса обеспечивающего судна. Построение траектории обеспе-
чивается в реальном времени. При выполнении работ приемная
антенна вывешивалась на глубину до 50 м. Траектория опреде-
лялась относительно опорной точки на обеспечивающем судне,
координаты которой фиксировались приемником системы спут-
никовой навигации GPS с точностью 10-30 м.
166
Особенности гидро,кустической системы сюп„
Высокоскоростная (1000-2000 бит/с) систра
информации по каналу "АНПА-ОС" система передачи
в условиях вертикального канала ^риТХ^ГдХи^^
Основные требования к такой системе связи можно определись
на основе анализа классических уравнений дальности и
потенциальной скорости передачи данных. Прежде всего это
центральная частота (20-25 кГц) и полоса рабочих частоС (5-
о°-КГяа УРовеиь излучаемого акустического сигнала составляет
Р 186 дБ, в предположении, что уровень собственных шумов
*на частот1е 25 кГй составляет 30-40 дБ относительно
Ю ,Па в полосе 1 Гц, полоса приемника 10 кГц, а отношение сиг-
нал/шум 6 дБ.
Разработка ГАСС для АНПА была начата с исследований
особенностей построения отдельных функциональных узлов
системы, антенн, аналоговых устройств, аппаратных средств
преобразования сигналов и технических средств обработки
данных [32; 33]. При проведении экспериментальных исследо-
ваний были получены некоторые достаточно простые алгорит-
мы обработки данных, позволившие обеспечить работу связи со
скоростью до 3-4 кбит/с с вероятностью ошибок примерно 10’2 в
условиях как мелкого, так и глубокого моря. Система остается
открытой для наращивания программного обеспечения и услож-
нения методов обработки данных, что дает возможность увели-
чить скорость передачи информации и уменьшить вероятность
ошибок [34; 35].
Принцип работы ГАСС основан на излучении и приеме
элементарного акустического сигнала минимальной длитель-
ности, в котором в качестве информационных признаков высту-
пают частота и фаза сигнала. Структура декодирования при-
нимаемого символа основана на предположении, что в услови-
ях вертикального канала связи прямой сигнал имеет максималь-
ную амплитуду, а уровень донных и поверхностных отраже-
ний ниже. Кроме того, вводится защитный временной интервал
при передаче данных, чтобы можно было дополнительно
разделить прямые и отраженные сигналы временной селекцие
Чтобы обеспечить режим выбора максимального сигнала, в те
чение сеанса связи ведется оценка АЧХ канала связи и вырав
нивание модулей коэффициентов передачи канала на •
рабочих частотах. Исходное графическое изооражен -
чеиное в системе технического зрения АНПА пр Р
виде последовательности строк. Каждый символ в стр
167
Рис. 3.31. Структура излучаемой информационной строки ГАСС
смысл яркости соответствующего пиксела графического изо-
бражения.
Передача графической информации осуществляется по-
строчно. Структура передаваемых строк приведена на рнс. 3.31.
Каждая строка состоит из 292 элементарных импульсов
длительностью 1 мс. Передаче каждой строки предшествует
синхроимпульс, по которому происходит временная синхрониза-
ция и настройка параметров приемного тракта. Кроме того,
строка разбита на восемь информационных сегментов. В начале
каждого сегмента находятся четыре символа всех рабочих частот
с нулевой фазой, по которым происходит привязка фазовых
детекторов приемника. Многократная привязка необходима для
компенсации набега фазы, вызванного эффектом Доплера при
движении АНПА и ОС.
Частота и фаза элементарного импульса могут принимать по
четыре значения: частота -, У2, /з, Л, фаза - фь ф2, фз> ф4- Кроме
того, вначале строки передается синхроимпульс частотой fc и
двумя значениями фазы фь ф3. Информационные строки сле-
дуют с периодом одна секунда. Такой период выбран для того,
чтобы отражения от поверхности приходили после окончания
строки.
Работой системы управляет автопилот АНПА. Данные ГБО
или фототелевизионной системы представляются автопилотом
АНПА в виде кадра графического изображения. Непрерывный
поток данных, разделенных на строки с использованием строч-
ной и внутристрочной синхронизации, передается передат-
чиком АНПА и принимается приемником ГАСС, передается
по кабельной линии на борт судна, где декодируется в судовом
168
Таблица 3.10. Техннчр^«л « ие характеристики га го
Дальность действия системы
6-8 км
Диапазон рабочих частот
Скорость передачи данных, максимальная 16-20 кГ ц
Вероятность ошибок 4000 бит/с
Уровень излучаемого акустического сигнала в аК отн. 1 мкПа/м ’ м ’ 1-2% 190-193
Структура частотно-фазоманипулироваииого сиг- нала 4 частоты, 4 фазы
Длительность элементарного символа Длительность информационной строки 1 мс 29^ мс
Период нзлучеиия строк 0,5-1 с
Размер кадра передаваемого графического изобра- жения (строк х столбцов х яркость) 192x256x16
Приемо-передающие антенны имеют конические ХН с углом раскрыва = 100°.
блоке ГАСС и отображается на экране монитора в виде
графического изображения.
Приемник ГАСС состоит из приемной гидроакустической
антенны, предварительного усилителя, размещенного в герме-
тичном контейнере совместно с антенной системы навигации, и
судового модуля приемника, размещенного в судовом блоке
гидроакустического навигационного комплекса. Технические
характеристики ГАСС приведены в табл. 3.10.
Работоспособность системы проверялась в глубоководных
пусках аппарата при различных положениях относительно обес-
печивающего судна. Глубина работы АНПА изменялась от 2000
ДО 2500 м, горизонтальная дальность - от 400 до 1500 м. В ходе
работ АНПА передавал на борт судна специально подготов-
ленные тесты:
• тест А для оценки текущего состояния канала связи, сос-
тоящий из 96 строк, в виде вертикальных полос всех 16
возможных для передачи градаций яркости ( от черного до
белого); „ _ „
• тест Б, состоящий из 192 строк и представляющий сооои
"зашитое" фотографическое изображение АНПА, допол-
ненное цифробуквенной информацией с использованием
всего набора градаций яркости. ___
Оба теста передавались со скоростью 1 строка с. к Р
передачи полезной информации была задана постоянно! “
тавляла 4096 бит/с (средняя скорость передачи полезно! 1 ср р
169
Рис. 3.32. Тест Б, принятый ГАСС на борту судна, линии справа и
снизу - распределение ошибок
мации на всем временном интервале передачи кадра -1024 бит/с).
В реальном времени обеспечивалась обработка данных и вывод
принимаемых изображений на экран монитора. На рис. 3.32
приведено изображение принятого графического теста Б без
дополнительной обработки данных.
Доплеровский лаг
При разработке доплеровского лага важное значение имеют
полоса рабочих частот, направленность и энергетическая эф-
фективность антенны, определяющие спектральный! состав
отраженных сигналов. Особое значение имеет то, что на борту
АНПА доплеровский лаг работает в режиме зондирования им-
пульсными сигналами с минимальной скважностью и дли-
тельностью, обусловленной двойным временем пробега акусти-
ческого сигнала от объекта до дна [16]. В режиме обзо-
ра/обследования высота движения над дном составляет единицы
метров, а длительность зондирующих сигналов, соответственно,
единицы миллисекунд. Частотное разрешение Д/ и дисперсия
частотной оценки сигнала Оупри обработке одиночного коротко-
го отраженного сигнала определяется через его длительность т0
и отношение сигнал/шум q известными соотношениями:
Д/ = (т0)“’; о/ = (9т0Г1. .
170
При накоплении N импульсов дисперсия уменьшается слабо:
= (V77qt0)_|.
Для увеличения быстродействия приемного тп^
ского лага при обработке коротких имш/пкг Р Доплеров-
схема Ф»Р»Ро.«»”7^
длинных квазикогерентных записей эхосигналов [36 37] Для
этого в обычную схему приемного тракта дополнительно вво
дится блок управляемой буферной памяти, обеспечивающий
последовательное накопление серии отраженных сигналов
малой длительности, их фазовую сшивку и прореживание В
результате формируется одна квазикогерентная запись длитеть-
ность которой устанавливается необходимым частотным разре-
шением, причем накопление обеспечивается с минимальной
частотой дискретизации. Для сформированной записи сигнала
длительностью Т - /Ут0 частотное разрешение и дисперсия
составят
Д/ = (№0) с/=(<7М0)-1.
Общее число оцифрованных прореженных отсчетов при
накоплении данных за время Т существенно уменьшается. За
счет этого соответственно уменьшаются емкость буферной па-
мяти и время расчета спектра методом быстрого преобразования
Фурье (БПФ). Такое значительное уменьшение объема обра-
батываемых данных с сохранением необходимого разрешения
позволяет реализовать вычисление спектра на стандартных
сигнальных процессорах. Необходимое частотное разрешение и
заданная точность достигаются, как показывают экспери-
ментальные данные, на минимальных временных интервалах, на
которых скорость объекта и, соответственно, доплеровская
частота могут считаться неизменными. Чтобы обеспечить необ-
ходимое частотное разрешение при минимальном времени
накопления данных в схеме лага предусмотрена автоматическая
регулировка длительности зондирующего сигнала с сохранением
постоянной скважности, равной примерно трем. Первичная
обработка сигналов лага выполняется в блоке предварительно!
аналоговой обработки и состоит в согласовании динамического
Диапазона сигнала схемами ВАРУ, переносе спектров приш
маемых сигналов на низкую промежуточную частоту '*
множении сигналов сопряженных каналов. На выходе -
лотовой обработки формируются два сигнала ПР°* nnonoD-
частоты, содержащие удвоенные доплеровские ча . вРктора
Циональные продольной и поперечной соста
171
Таблица 3.11. Основные технические хнрактернстнкн
доплеровского лага
I Диапазон измеряемых скоростей
| Диапазон расстояний от дна
I Конфигурация антенны
Угол отклонения от вертикали
Ширина характеристики направленности
Габаритные размеры
Погрешность измерения доплеровской час
тоты
Погрешность измерения скорости
Потребляемая мощность
от 0 до 2 м/с
от 3 м до 50 м
четыре луча
30°
4°
(180x200) мм
6 Гц
0,01 м/с
4 Вт
скорости АНПА. Основная обработка данных выполняется
программными средствами, где определяются параметры допле-
ровского спектра. Эти операции выполняются в реальном вре-
мени специализированным сигнальным процессором ADSP2181.
Технические характеристики доплеровского лага приведены в
табл. 3.11.
Натурные исследования характеристик
доплеровского лага в составе АНПА
Натурные испытания доплеровского лага производились в
составе систем АНПА "МТ-98" при работе в мелком и глубоком
море. При выполнении заданных миссий траектория движения
АНПА отслеживалась средствами гидроакустической навига-
ционной системы. После завершения каждой миссии опреде-
лялись значения модуля и составляющих скорости по данным
доплеровского лага. Полученные результаты сравнивались с
расчетными значениями скорости на выделенных фрагментах
траекторий по данным ГАНС. Сравнивались также траектории
движения АНПА, полученные в результате работы ГАНС и по
счислению на основе данных лага и бортового датчика курса.
При проведении градуировки лага в условиях мелкого моря
АНПА выполнял прямолинейные равномерные галсы с точкой
старта в месте размещения приемной антенны ГАНС. Продол-
жительность галса составляла 20-30 мин. Далее АНПА выпол-
нял поворот на 180° и возвращался в точку старта (обратный
галс). На каждом галсе программой задавались различные ско-
рости движения аппарата. Накопленные дальномерные дан-
ные ГАНС использовались для расчета эффективной скорости
172
3. /2. Зианепии
Пуск'
галс
дл
ГАНС
Разница, м/с
прямой
1,064
1,045
0,019
обратный прямой
0,523
0,505
0,018
0,986
0,956
0,030
обратный прямой
0,471
0,500
0,029
0,833
0,821
АНПА на выделенном галсе. Полученные значения
рости сравнивались с данными доплеровского лага
экспериментов приведены в табл. 3.12.
модуля ско-
Результаты
П пАИ юем/ИЯ ЗНаЧеНИЙ СКОРОСТИ в мелком море составляет
0,06 0,10 м/с при времени накопления данных 1 с. При времени
усреднения 30 с дисперсия уменьшается до 0,01-0,04 м/с. При
пуске в глубоком море дисперсия значений модуля скорости пои
времени накопления данных 1 с составляет о; = 0,033 м/с при
времени накопления 30 с = 0,015 м/с. ’ н
3.6. КОМПЛЕКСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СРЕДСТВ НАВИГАЦИИ
И ОПЫТ ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РЕАЛЬНЫХ ПОИСКОВЫХ РАБОТ
Комплексные испытания гидроакустических средств навига-
ции были выполнены в одной из мелководных бухт залива Петра
Великого. Глубина места составляла 10-20 м, горизонтальная да-
льность до 3 км. Испытания проводились в летний период. Суть
испытаний сводилась к параллельной работе ГАНС-ДБ, ГАНС-
УКБ, систем телеуправления и телеметрии, доплеровского лага
при выполнении запусков АНПА по заданной траектории. Срав-
нивались траектории движения по данным гидроакустических
навигационных систем и счисленная по данным доплеровского
лага и гироскопического датчика курса. АНПА совершал дви-
жение прямолинейными галсамн по замкнутой траектории. В
угловых точках аппарат всплывал и определял свои координаты
по данным GPS. Результаты приведены на рис. 3.33, где на одном
планшете сравниваются траектории по данным ГАНС-ДБ,
ГАНС-УКБ и счисления по данным доплеровского лага и
гирокомпаса (ГК). Треугольниками обозначены точки поста-
новки маяков-ответчиков ГАНС. Начало координат - N
На рис. 3.34 (и ранее на рис. 3.22) приведены результаты
градуировки гидроакустических средств навигации по данным
GPS, приводимая погрешность которой составила око. о . .
На рис. 3.34 изображены траектории движения по chi
173
Рис. 3.33. Траектория движения АНПА по данным отдельных систем
навигационного комплекса
использованием доплеровского лага (сплошная линия), точками
даны отметки ГАНС (период обсервации по ГАНС - 30 с),
кружки - точки обсервации по данным GPS. Как следует из ри-
сунка, за время градуировки, которое составило около 5 час.,
итоговое расхождение финишной точки по счислению и данным
GPS составило менее 100 м.
Разработанный комплект гидроакустического навигацион-
ного оборудования обеспечивал проведение поисковых работ,
выполненных АНПА в Японском море в марте 2003 г. На
первом этапе работ была выполнена съемка большой площади с
использованием гидролокатора бокового обзора. Траектория
движения приведена на рис. 3.35.
На траектории обозначены точки постановки маяков, якор-
ная стоянка обеспечивающего судна и группа целей, обнаружен-
ных на ГБО-изображении. Общая площадь обследования соста-
вила около 22 кв. км. Глубина места составляла в районе работ
около 70 м, горизонтальная дальность - до 6 км, точность нави-
гационной привязки целей около 20 м.
174
175
Широ
Рис. 3.36. Планшет с траекторией движения АНПА при площадной
телевизионной съемке
На втором этапе выполнялось дообследование найденных
целей. В выделенном районе размером 400 х 400 м поиск велся с
использованием телевизионной системы при высоте движения
АНПА 5 м. Чтобы не допустить пропусков в поисковом квадра-
те движение аппарата выполнялось в режиме телеуправления
короткими прямолинейными галсами, отстоящими от предыду-
щих на несколько метров. Результаты обследования района при-
ведены на рис. 3.36, где изображены траектории АНПА по трем
пускам, каждый продолжительностью 5-6 час., совмещенных на
квадрате поиска. Точками на рисунке обозначены найденные
цели. Суммарная площадь телевизионного обзора составила не
менее 100 тыс. кв. м, а погрешность навигационной привязки
галсов менее 10 м.
Гпава 4
информационно-измерительные
СРЕДСТВА И ТЕХНИЧЕСКОЕ зрение
4.1. СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ
В зависимости от решаемой задачи информационно-измери-
тельная система (ИИС) и система технического зрения (СТЗ)
могут содержать измерители параметров водной среды и при-
боры для изучения свойств грунта и донных объектов. Изме-
рители гидрологических параметров (ИГП), часто называемые
СТД-измерителями, предназначены для измерения электропро-
водности, температуры, глубины (давления) и широко приме-
няются при изучении н освоении природных ресурсов Мирового
океана. Использование ИГП на автономных необитаемых под-
водных аппаратах предъявляет к ним такие характерные требо-
вания, как низкое энергопотребление, небольшие габариты и
вес, обеспечение работоспособности при изменении техшературы
и гидростатического давления в большом диапазоне,
независимость от конструктивного окружения на аппарате. В
ИПМТ ДВО РАН разработаны два варианта таких измерителей
(ИГП1 и ИГП2) для использования в составе АНПА. Более
поздний вариант ИГП2 выполнен на новой элементной базе и
отличается от ИГП1 меньшими габаритами и энергопот-
реблением. Основные метрологические характеристики измери-
телей приведены в табл. 4.1.
Геофизические приборы, которые могут входить в состав
ИИС, отличаются большим разнообразием как по физическим
принципам, так и по модульному исполнению. К ни.м относятся, в
частности, акустический профилограф, устройства электромаг-
нитного поиска, магнитометры, гравиметры, радиометры, нако
пители и средства обработки информации.
Некоторые из указанных устройств разрабатываются вhi Р
ком исполнении для оснащения буксируемых систем. •
ческим характеристикам, главным образом по ма ‘
мерам, они во многих случаях оказываются малопр ‘ сами
Установки на АНПА. Кроме того существенным!
12 Автономные
177
Таблица 4.1. Основные метрологические характеристики НГЦ
1 I и пи НИР
Параметр Характеристика |
Диапазон измерения -2 ... +32 "С -2 +12 °C
Предел систематической составляющей погрешности ±0,05 °C ± 0.04 °C
Темпе- Разрешающая способность, ратура не более 0.0075 °C 0.005 °C
Постоянная времени, не более 0,5 с 0,5 с
Диапазон измерения 0...60 МПа 0 ... 60 МПа
Предел систематической сое- Давленне тавляющей погрешности ± 0,07 МПа ± 0,07 МПа
Разрешающая способность, не более 0,01 МПа 0,005 МПа
Диапазон намерения 0,5 ... 6 См/м 0,1 ... 7 Сы/м
Электро- Предел систематической сос- провод- тавляющей погрешности ± 0,04 См/м ± 0,02 См/м
ность Разрешающая способность, не более 0,0015 См/м 0,001 См/м
условия работы этих устройств на борту АНПА. В частности,
это относится к магнитометрам, гравиметрам и электро-
магнитным устройствам, работа которых зависит от собст-
венных физических полей носителя и его движения вблизи дна.
В связи с этим в большинстве случаев возникает необходимость
в специальных разработках с учетом конкретных требований и
технологических особенностей проекта.
В состав системы технического зрения могут входить раз-
нообразные устройства, обеспечивающие обзор и съемку дна в
зависимости от характера и цели проводимой работы, а также
выработку визуальной информации, необходимой для
управления аппаратом. Визуальная информация представляется
в виде акустических или видеоизображений, и при работе в ре-
жиме реального времени используется системой управления. В
наиболее полной конфигурации СТЗ представляет собой
модульную интегральную систему, объединяющую гидроло-
каторы бокового, секторного (кругового) обзора, батиметри-
ческий гидролокатор, фото-видеосистемы, другие поисковые
измерительные устройства. Подавляющая часть данных уст-
ройств требует специальной разработки с учетом особенностей
178
АНПА. и лишь в отдельных случаях может
готовая продукция. ег &ь,ть использована
В Структуре СТЗ, Которая ДОЛЖНя
распознавание объектов, формирование данных тля™ П°ИСК "
в том числе, для автоматического выделения и п управления’
протяженных объектов, используетсяSX °тслежиВа™я
ГБО/ГСО. ТВС. ЭМС. О„бенно’тям
систем посвящены следующие разделы данной главы книга
4.2. ГИДРОЛОКАЦИОННЫЙ ОБЗОРНО-ПОИСКОВЫЙ
КОМПЛЕКС
В обзорно-поисковых системах автономных, привязных и
буксируемых носителей широкое применение находят гидро-
локаторы с диапазоном дальностей действия свыше десятков
метров. В настоящее время известно большое количество гидро-
локационных систем разных типов и назначений, как пассивных,
так и активных, различающихся способами сканирования среды
и обработки получаемой информации. К наиболее характерным
можно отнести гидролокаторы бокового обзора (ГБО), пред-
ставляющие собой системы акустического зрения дальнего ра-
диуса действия, и гидролокаторы секторного обзора (ГСО), яв-
ляющиеся системами среднего радиуса действия с повышенной
разрешающей способностью.
Гидролокатор бокового обзора является широко распростра-
ненным и давно применяемым прибором для выполнения
подводных обзорно-поисковых и картографических работ. Пер-
вые результаты поиска затонувших объектов с помощью
макетных образцов ГБО относятся к середине 60-х годов, а уже в
конце 70-х годов рядом зарубежных фирм (EG&G. Klein
Associates Inc. и др.) было налажено производство серийных
приборов. Начальный опыт ИПМТ ДВО РАН по разработке и
использованию экспериментальных образцов буксируемых ГБО
относится к 1979 г., а автономными вариантами ГБО с 198_ г.
оснащались все созданные в институте глубоководные АНПА.
В основу действия ГБО положен принцип сканирования по
верхности дна узконаправленным акустическим лучом, переме
щаемым в водной среде благодаря поступательному дв
носителя антенны. Антенна обладает веерообразной диа^аммо!
плоскости и узкой (не более 1 -2 ) в горизон гкп
параметр определяет угловую разрешающую спосоо
Ось диаграммы направленности (ДН) направлен^
179
2
Рис. 4.1. Схема сканирования дна методом бокового обзора
1 - антенна ГБО, 2 - носитель антенны (АНПА), 3 - диаграмма направ-
ленности антенны, 4- проекция на дно траектории движения АНПА, 5- из-
лученный волновой пакет, 6 - полоса дна, озвученная волновым пакетом
кулярно вектору перемещения и несколько наклонена в сторону
дна (рис. 4.1).
Антенной 1 излучаются зондирующие посылки длитель-
ностью т с периодом повторения (зондирования) Т. Каждая зон-
дирующая посылка в пространстве образует "волновой пакет" 5,
движущийся в воде со скоростью звука с в направлении Р. Длина
"волнового пакета" в направлении его распространения опре-
деляет разрешающую способность ГБО по дальности и равна
Д/ = ст/2. По мере распространения последовательности "волно-
вых пакетов" в пространстве ими поочередно в пределах диаг-
раммы направленности озвучиваются узкие клиновидные по-
лоски дна 6, вытянутые перпендикулярно к проекции траекто-
рии перемещения антенны. Если t0 - момент излучения зонди-
рующей посылки, то момент прихода первого донного эхосиг-
нала определится выражением г,, = г0 + 2Н/с, гцеН- кратчайшее
расстояние от антенны ГБО до поверхности дна ("высота").
В интервале времени [г0, гл] вплоть до предельной дистанции
Дпах = с772 последовательно принимаются эхосигналы обратного
рассеяния от все более и более удаленных элементарных участ-
ков дна площадью ДхДу, лежащих на упомянутых озвучиваемых
клиновидных полосках. Мгновенная величина эхосигнала на
антенне ГБО в произвольный момент времени г пропорцио-
нальна силе обратного рассеяния соответствующего элементар-
ного участка дна. Далее, по мере излучения каждой последую-
щей зондирующей посылки, процесс повторяется. При ото-
бражении информации ГБО гидролокационное изображение
формируется таким образом, что распространению зондирую-
щих посылок в пространстве соответствует развертка изо-
180
бражения по строкам, в то воемя vov
ремещению антенны соответствует (полъзуя7ЬТТЬН°МУ П6‘
терминологией) - кадровая развертка. При этоЛхос“ы
каждого цикла зондирования записываются на своей ХьТой
строке. В результате п циклов зондирования на п строках будет
зарегистрировано гидролокационное изображение поверхноети
морского дна в координатах "путевая дальность - наклонная
дальность . ИС|П
Как правило, низкочастотные ГБО выполняют функции
первичного средства поиска и целеуказания. Для ориентиро-
вания и более детального обследования участков дна и донных
объектов, включая протяженные объекты и другие подводные
сооружения, используются высокочастотные ГБО. При этом
значение дальности действия высокочастотных (ВЧ) ГБО или
ГСО выбирается промежуточным между величинами дальности
действия низкочастотных (НЧ) ГБО и фотосистем. По разре-
шающей способности даже высокочастотные, а тем более низко-
частотные, гидролокаторы значительно уступают оптическим
приборам. Поэтому окончательная идентификация объектов,
отобранных путем гидролокационного обзора, производится с
помощью систем подводного телевидения и фотографии.
Оценивая различные гидролокационные устройства с учетом
тенденций их совершенствования, комбинацию ГБО-ГСО в
составе АНПА можно считать оптимальной в отношении
объема и характера доставляемой поисковой информации при
сравнительной простоте эксплуатации комплекса. При этом,
очевидно, имеется возможность повышения тактико-техничес-
ких характеристик обзора путем постобработки накопленной
эхолокационной информации.
Обзорно-поисковые гидролокаторы ИПМТ ДВО РАН
Для автономных, буксируемых и привязных глуооково ь.
аппаратов разработан ряд модификаций обэорно-поисковь .
ролокаторов, основные характеристики которых приве е
ТабСос” в системы вкустввесксго зрея,и (САЗ) АНПА и»
рируется структурной схемой, представление на pi
При этом в состав ГБО входят: „ левом и
• две приемо-передающие антенны, размещ
правом бортах подводного носителя, йнеоа содер-
• электронный блок в виде герметичного. контейкра^сод р
жащего шасси с двухканальным приемо р
181
Таблица 4.2. Технические характеристики НЧ и ВЧ ГКО
Параметр J I IЧ ГБО ВЧ ГБО
Рабочая частота, кГц' левого канала 82 420 430
правого канала
Диапазоны развертки по дальнос- 187, 375, 500, 750 20, 50. 75, 100, 120
тп, м
Разрешающая способность по дальности, м 0,3 0,05
Разрешающая способность по углу, 1,5 0.5
град. Максимальная рабочая глубина, м 6000 6000
Габариты электронного блока (внешние), мм 0100, L=330 0100, L=250
Масса электронного блока (с контейнером), кг 2,8 2,5
Габариты каждой антенны, мм 680x60x35 500x25x18
Масса каждой антенны, кг 3,7 1,1
Таблица 4.3. Технические характеристики ГСО (2 варианта)
Параметр | I вариант | 11 вариант
Рабочая частота, кГц 400 730
Диапазоны развертки по дальности, м 20, 50, 75, 100, 120 10, 20, 30, 50
Секторы обзора, град. ±15, ±30, ±45, ±60, 360 (круговой обзор)
Угловой шаг обзора, град. 0,9 либо 1,8 0,9 либо 1,8
Разрешающая способность по дальности, м 0,05 0,03
Разрешающая способность по углу, град. 2,0 1,5
Максимальная рабочая глу- бина, м 6000 6000
Габариты электронного бло- ка (внешние), мм 0100, L=220 0100, L=220
Масса электронного блока (с контейнером), кг 2,6 2,6
Диаметр поворотной антен- ной платформы, мм 140 120
182
Рис. 4.2. Типовая структурная схема САЗ
• блок аналого-цифрового преобразования и первичной циф-
ровой обработки эхосигналов на базе сигнальных процес-
соров (СП);
• бортовой компьютер.
В зависимости от конкретного назначения и типа исполь-
зуемого носителя возможны различные конфигурации испол-
нения ГБО. В частности, все перечисленные блоки ГБО на
АНПА располагаются в непосредственной близости друг от
друга и входят в состав САЗ. В этом случае бортовой компьютер
размещается в герметичном контейнере блока цифровой обра-
ботки и не имеет дисплея, но при этом его программные средства
обеспечивают автоматическую коррекцию режима съемки и
адаптивную подстройку рабочих параметров ГБО. Если ряд
перечисленных узлов ГБО размещается на буксируемом
аппарате компьютер с дисплеем находятся на обеспечивающем
судне. В этой конфигурации помимо перечисленных узлов на
буксируемом аппарате и на судне присутствуют электронные
узлы, ответственные за передачу эхо-информации и синхро-
сигналов через кабель-трос.
В состав ГСО входят следующие узлы:
• антенный блок в виде герметичного контейнера, содержа-
щего шасси с двухканальным приемопередатчиком, шаго-
вым приводом и схемой управления;
• собственно антенна, размещенная на поворотно плат
форме с механизмом поворота;
• блок аналого-цифрового преобразования и первичной циф-
ровой обработки эхосигналов на базе сигналь . р
соров;
• бортовой компьютер.
183
В автономном варианте бортовой компьютер является об-
щим для ГСО п ГБО. При использовании ГСО на привязном те-
леуправляемом аппарате (как, например, на "TSL") выбирается
иная расстановка перечисленных узлов, а бортовой компьютер с
дисплеем размещаются на обеспечивающем судне. В этой кон-
фигурации ряд дополнительных узлов размещается по аналогии
с вышесказанным для ГБО.
Использование обзорных гидролокаторов на автономном
аппарате накладывает ряд дополнительных функциональных
требований, которые состоят в необходимости.
• запоминания (накопления) на борту больших объемов ин-
формации;
• полной автоматизации процесса получения и накопления
гидролокационных данных;
• обеспечения долговременной бесподстроечной работы всех
узлов в изменяющихся условиях гидролокационного
обзора;
• ускоренного отображения (визуализации) накопленной
информации в камеральных условиях после подъема
АНПА.
Указанные функции реализуются с помощью развитой
системы первичной обработки эхосигналов на базе скоростных
сигнальных процессоров.
При многочасовой работе аппарата в необслуживаемом бес-
подстроечном режиме полученная гидролокационная и вспо-
могательная информация после оцифровки в АЦП и обработки
в сигнальном процессоре накапливается на жестком диске
бортового компьютера. Продолжительность накопления зависит
от выбранных параметров съемки и информационной емкости
диска. Так, при выборе средних значений разрядности и частоты
оцифровки эхосигналов скорость их записи на диск составляет:
для НЧ ГБО - 1 Мбайт/мин, для ВЧ ГБО - 3,5 Мбайт/мин и для
ГСО - 2 Мбайт/мин. В дальнейшем, на борту обеспечивающего
судна, осуществляются перезапись, визуализация и докумен-
тирование накопленных данных с помощью персонального
компьютера и лазерного принтера.
Представляется интересным, а в ряде случаев и практически
целесообразным, использование ГБО в качестве низкочас-
тотного гидролокатора кругового обзора. При этом вращение
антенны в горизонтальной плоскости осуществляется за счет
плавного поворота АНПА вокруг своей вертикальной оси. На
рис. 4.3. в качестве примера приведена эхограмма кругового об-
зора, полученная с помощью низкочастотного (82 кГц) ГБО с
184
Рпс. 4.3. Эхограмма кругового обзора, полученная с помощью
низкочастотного ГБО
записью эхосигналов антенны правого борта. Аналогичная кар-
тина формировалась и на выходе приемопередатчика левого
борта. Рабочие частоты каналов составляли 82 и 85 кГц,
соответственно. Максимальная дальность обзора равна 375 м.
В верхней части эхограммы просматривается гидролокаци-
онное изображение подводной части корпуса судна длиной
около 120 м.
Обработка гидролокационных сигналов в САЗ
Гидролокационные устройства для аппаратов первого поко-
ления строились практически полностью на базе аналоговой
техники. Обладая неплохими параметрами по дальности
действия и разрешению, они не обеспечивали удобства и гиб-
кости в использовании. Прежде всего это было связано с труд-
ностями полноценного (при минимуме искажений) накопления
получаемых данных, низкой оперативностью при их обработке,
трудностью автоматической "привязки гидролокационных
Данных к географическим координатам.
185
Широкое применение персональных компьютеров, сиг-
нальных процессоров и микроконтроллеров позволило пере-
вести разработки гидролокационных устроиств на качественно
новый уровень. Благодаря этим достижениям были разраОотаны
усовершенствованные тракты обработки гидролокационных
сигналов в которых основная обработка осуществляется в циф-
ровой части тракта.
Несколько различаясь составом элементов (особенно в
аналоговой части), гидролокаторы имеют много общих схемо-
технических решений. Во всех устройствах аналого-цифровому
преобразованию подвергается либо несущая, либо проме-
жуточная частота, причем преобразование является высоко-
скоростным и высокоразрядным (12—16 бит). Это позволяет
снизить требования к нормировке динамического диапазона в
усилительных каскадах приемного тракта, охваченных ВАРУ.
Так, при типовом значении динамического диапазона ГБО-эхо-
сигнала 120 дБ (суммарной величины его информативной и
неинформативной составляющих) на долю цифрового сжатия
приходится около 50 дБ. около 50 дБ (8 разрядов) остается в
качестве информативной составляющей в выходном сигнале, и
20 дБ приходится на долю аналогового сжатия в тракте ВАРУ.
При столь невысоких требованиях к тракту ВАРУ аналоговую
часть приемника ГБО удается реализовать с помощью простых и
дешевых схемотехнических решений. Вся дальнейшая обработ-
ка, включая детектирование эхосигналов, осуществляется в циф-
ровой части, состоящей из блока первичной цифровой обра-
ботки, построенного на базе сигнальных процессоров с микро-
контроллером, и бортового компьютера. Оцифрованные эхосиг-
налы перед накоплением на твердом диске бортового компью-
тера (либо судового - при работе гидролокаторов в буксируемом
режиме) подвергаются уже упомянутому дополнительному
сжатию до 8 бит. Сжатый таким образом сигнал пригоден для
высококачественного отображения и документирования, но при
желании можно восстановить его первоначальный динамический
диапазон по алгоритму, обратному алгоритму сжатия.
Формат гидролокационных данных
и навигационно-гидролокационный интерфейс САЗ
Наиболее трудоемкой процедурой при просмотре и иденти-
фикации гидролокационных изображений является "привязка"
отобранных целей к координатам (в особенности к абсолютным
географическим координатам). Исходными данными при этом
186
являются ГБО или ГСО-файлы с эхолокятш™ г +
и навигационные данные. Последние, при работе ГБО наХТ/
руемом аппарате, обычно формируются в виде потока GPS
данных, которые автоматически накяппии,,^ ока ЬРЬ-
ГБО-файлами . виде фай,™ '
При работе ГКО и ГСО ив борт, АНПЛ
сопутствующий навигационный" файл записываются данные
получаемые на выходе комплектованной навигационной
системы (КНС). При этом неизбежно появление ошибок
координирования как чисто гидролокационных, так и ошибок
обусловленных спецификой работы КНС.
Вычисление координат целей, отобранных по эхограммам
ГБО, обычно осуществляется по следующим упрощенным
формулам:
\reo = х, +£>cos(K),
(4.1)
X.rBO = X+Osm(-K), (4.2)
где К - текущий курс носителя антенны ГБО, i - номер скан-
строки ГБО, на которой была зарегистрирована цель, D- дис-
танция до цели по траверсному направлению, причем для целей
зарегистрированных по левому борту D < 0, а по правому борту -
D > 0, х, , у, - значения широты и долготы i-й точки траектории
носителя в метрах.
Для удобства промежуточных вычислений координаты х, у
определяются в метрах (т.е. по сути являются ординатами и
абсциссами на планшете). При этом х„ у, связаны с абсолютными
значениями широты ф„ и долготы А., следующими соотно-
шениями:
х,=Др(Х,-Х0)со8(ф0),
у, =Лф(Ф,-ф0)-
(4.3)
(4.4)
Здесь фи - средняя широта места в районе работ, Яф - зна-
чение радиуса Земли на данной широте, вычисляемое
формуле: ________
_ (4.5)
Я„2+Л,2«2Фо
на основании известных значений П°Л?Р11°!^)Им^КВаТ Р
радиусов Земли (Л„ = 6356777 м , R,= ационных образов
Для обработки и интерпретации г«Р°Л°аншет'ТБО/ГСО-
разработаны прикладные программы ( Планшет ,
187
вьювеп" различные конверторы форматов и стандартов), кото-
вые позволяют не только отображать и документировать ре-
зультаты ГБО пли ГСО-съемки, но и выполнять, не выходя из
окна вьювера пли планшета, навигационные измерения и рас-
четы с точностью, близкой к метрологической.
При выполнении широкомасштабных обзорно-поисковых,
обследовательских и картографических работ с использованием
АНПА необходимо осуществлять автоматизированную обработ-
ку и анализ разнообразных данных, в том числе гидролокацион-
ных образов, в интерпретации которых могут содержаться экс-
пертные оценки. С этой целью была создана специализиро-
ванная база данных, и с помощью аппаратно-программного
комплекса осуществляется оперативное управление базой и
быстрый доступ к любой ее составляющей.
Опыт использования ГБО и ГСО в составе АНПА
при проведении обзорно-поисковых
и обследовательских работ
Как уже говорилось, гидролокатор бокового обзора является
одним из наиболее производительных и эффективных средств
дистанционного поиска.
В этом отношении опыт ИПМТ ДВО РАН достаточно богат
примерами практических морских поисковых работ, в которых
ГБО служил основным средством крупномасштабного первич-
ного поиска (описанию этого опыта посвящена гл. 7). Здесь же
для иллюстрации возможностей ГБО сошлемся на некоторые
фрагменты маршрутной или площадной ГБО-съемки, полу-
ченные в глубоком и мелком море.
Наиболее показательны примеры, связанные с проведением
операций по поиску затонувших АПЛ в 1982-1989 гг. в Северной
Атлантике, в Саргассовом и Норвежском морях. В 1983 г. букси-
руемый вариант ГБО использовался также в составе обзорно-
поискового комплекса при поиске южнокорейского самолета,
затонувшего в районе о. Сахалин. В 2001 г. с помощью ГБО,
установленного на АНПА "МТ-98", в Мотовском заливе Барен-
цева моря было обнаружено ранее не отмеченное на картах за-
тонувшее судно длиной около 70 м (рис. 4.4), а в 2003 г. во время
выполнения поисковых работ в заливе Петра Великого был
обнаружен затонувший в районе о. Русский вертолет КА-27.
На рис. 4.5 приведены результаты экспериментальной съем-
ки с помощью высокочастотного (428 кГц) ГБО. Эхолокацион-
188
Рис. 4.4. Фрагмент эхограммы ГБО с гидролокационным
изооражением затонувшего судна
с. 4.5. Фрагмент эхограммы высокочастотного ГБО:
1 - конструкция с большими уголковыми отражателями; 2- конструкция с
малыми уголковыми отражателями; 3 - водозаполненная бочка
189
Рис. 4.6. Внешний вид металлоконструкции с тремя "малыми"
уголковыми отражателями
ные изображения контрольных акустических целей (и акусти-
ческих теней от отдельных элементов их конструкции) анализи-
ровались на основе точно известных геометрических и физичес-
ких характеристик этих целей. В данном эксперименте ГБО
обеспечивал разрешающую способность по дальности 0,05 м, а
по углу 0,5°.
На представленной на рис. 4.5 эхограмме хорошо видны
раздельно почти все элементы экспериментальных акустических
целей, изготовленных в виде конструкций на базе уголковых
отражателей. Эти же цели отчетливо наблюдаются и на конт-
рольных эхограммах, полученных с помощью низкочастотного
ГБО (82-85 кГц), однако НЧ ГБО регистрирует их лишь в виде
единого яркого объекта, практически не различая при этом
отдельные элементы цели.
Существенное влияние на различимость цели оказывает
ракурс обзора. Представленная на рис. 4.5 эхограмма была полу-
чена при ГБО-обзоре левым бортом. В верхней части эхограммы
отчетливо видно изображение конструкции с двумя "большими1
уголковыми отражателями.
В средней части эхограммы видна конструкция с тремя
малыми" уголковыми отражателями (рис. 4.6). Отражатели
были соединены между собой металлическими стержнями и
располагались по углам равностороннего треугольника со сто-
роной 1 м. Эффективное сечение акустического рассеяния
190
Рис. 4.7. Фрагмент эхограммы низкочастотного ГБО
с гидролокационным изображением рыболовной снасти
каждого отражателя составляло 0,02 кв.м. "Большие" уголковые
отражатели имели аналогичную конструкцию, но эффективное
сечение каждого отражателя достигало 0,06 кв.м. Цель на их
базе состояла из двух отражателей, которые фиксировались друг
относительно друга на расстоянии с помощью двухметровой
штанги. В нижней части эхограммы видно изображение запол-
ненной водой металлической бочки.
Разрешающая способность низкочастотного ГБО также
оценивалась по эхо-изображениям предметов известной формы
и размеров. На рис. 4.7. показан фрагмент эхограммы НЧ ГБО
(левый канал) с изображением рыболовной снасти в виде
длинного фала с размещенными вдоль него через каждые 20 м
крабовыми ловушками. Отчетливо просматривается акустичес-
кая тень от фала, хотя сам фал просматривается слабо. Рабочая
частота ГБО-обзора составляла 82 кГц.
Для экспериментальной оценки разрешающей способности
гидролокатора секторного обзора также были использованы
заранее выставленные на дне предметы известной формы и
размеров. На рис. 4.8 представлен образец эхограммы ГСО с
изображением пирса со шпунтовыми сваями. Эхограмма полу
Чена в режиме кругового обзора с разверткой по дальности . м
при частоте 400 кГц. В левом верхнем квадранте видно изоо-
ражение экспериментальных искусственных целе> стальной
191
Рис. 4.8. Образец эхограммы ГСО
1 - пирс со шпунтовыми сваями; 2 - трап с поплавками; 3 - стальная труба
1,5-дюймовой трубы, опертой на дно, и край пирса, а также тра-
па с закрепленными на его углах полыми пластмассовыми по-
плавками диаметром 90 мм.
Возможности использования гидролокационного
комплекса для томографии морского дна
Результатами теоретических и экспериментальных исследо-
ваний, выполненных в течение последних лет, доказано сущест-
вование на границе раздела вода - морское дно обобщенной
придонной волны [3-9]. Впервые гипотеза о существовании
такой волны была сформулирована в работе [7] на основе
анализа большого количества экспериментального материала,
который был уже накоплен в рамках проблемы аномальной
подсветки донного полупространства при углах полного
внутреннего отражения. Сама проблема возникла и получила
всестороннее освещение после публикации экспериментальной
работы американских акустиков [3], выполненной в 1979 г., в
которой был обнаружен аномально высокий уровень прошедшей
волны на границе раздела вода - песчаное дно при падении на
192
нее направленного звукового пучка
метрическим излучателем в области углов полнот ”НОГ° Пара'
отражения. В работе [4], опубликовХ^^ГХл”^
весьма тонкий и всесторонний анализ частотно-угловой зави
симости аномальной подсветки придонного слоя при углахпол
ного внутреннего отражения. н 7
Для оценки масштабности проблемы можно указать на тот
факт, что для детального исследования всех вопросов, связанных
с отражением, рассеянием и прохождением направленных
звуковых пучков на границе раздела вода - морское дно был
оборудован специализированный полигон в Центре подводных
исследований НАТО (Италия, Слезна) и полигон у берегов
Флориды, где был проведен глобальный эксперимент SAX-99
(Sediment acoustic experiment^, в котором приняли участие практи-
чески все известные коллективы зарубежных акустиков. В ра-
ботах обзорного плана [7-9], были проанализированы экспери-
ментальные и теоретические результаты, включающие и две
рабочие гипотезы. В работе [5] был экспериментально зафик-
сирован профиль вертикального распределения звукового давле-
ния в прошедшей волне на границе раздела вода - морское дно
при падении направленного звукового пучка под углом сколь-
жения 4,3°.
Результаты проводимых исследований подтверждают, что
обобщенная придонная волна (ОПВ) с инвертированным про-
филем интерферирует с водной и грунтовой волнами, образуя
крупномасштабные интерференционные структуры, которые
легко и достаточно регулярно обнаруживаются при локационной
съемке морского дна гидролокатором бокового обзора при ма-
лых углах скольжения [7-9]. Пример подобной эхолокационной
картины показан на рис. 4.9.
Характерные свойства ОПВ делают ее чрезвычайно перс
пективной для интроскопии (томографии) придонного слоя мор
ского дна, которую целесообразно совместить с гидролока
ционной съемкой морского дна гидролокатором Док£?°г<\2п
зора, объединив акустический морской томограф ( _ 'f
в единый синхронно работающий гидролокационный комп ~
Принцип работы томографа основан на возбуждении н
раздела вода - морское дно обобщенной ПРИД Ппипонная
приемо-передающей антенной ГБО. Обо ще” нахо.
волна, распространяясь в придонном слое, 0ТР^ грунтовую
дящихся в нем объектов, трансформируясь npi & ^ратнОм
волну. Грунтовая волна, распростран £ ДМТ.
направлении, принимается специализнрова н
И Антниомныс 193
Рис. 4.9. Образец эхограммы ГБО с гидролокационным изображением
интерференционных структур
Рис. 4.10. Горизонтальный разрез морского дна (томограмма)
на глубине 2 м (а) и ГБО-нзображенне поверхности дна (б)
Поскольку профиль вертикального распределения ОПВ в при-
донном слое имеет ярко выраженный максимум [7], то фак-
тически при движении носителя гидролокационного комплекса
томограф дает горизонтальный разрез морского дна на заданном
194
графическую оъе„ку „бъекЛ “'
последующей сшивкой разрезов пля Lv, горизонтах с
изображения объекта. Д получения объемного (3-D)
АкуСТИЧеСКИЙ МОРСКОЙ ТОМОГтгЬ -
и не имеет мировых аналогов в практике гидполо” ПрИб°ром
зондирования придонного слоя морского „на на задан^м™
зонте. Натурные испытания синхронно работающей локацион-
ной пары ГБО-АМТ при их буксировке автономным аппаратом
проводились в бухте Патрокл залива Петра Великого В каче
стве отражателя использовалась шпунтовая стенка пирса, вбитая
в грунт на глубину 2-3 м, толщина стенки h = 15 мм хорошо
соответствует, например, толщине стенки морских трубо-
проводов большого диаметра. Можно полагать также, что "сила
цели" такого модельного отражателя хорошо соответствует
отражающей способности реального отражателя типа трубы при
локационном зондировании. При локационной съемке в натур-
ном эксперименте АНПА двигался прямолинейными галсами на
различном расстоянии от пирса, а его положение на галсе опре-
делялось с помощью GPS и ГАНС-УКБ.
На рис. 4.10 приведены в сравнительном плане горизон-
тальный разрез морского дна (томограмма) на глубине 2 м и
локационное изображение поверхности морского дна, полу-
ченное с помощью ГБО в штатном режиме его работы. На
рис. 4.10 а хорошо видно изображение шпунтовой стенки пирса
на траверзном расстоянии 190 м. Значительные и весьма харак-
терные искажения геометрического изображения стенки пирса
объясняются слабой направленностью в горизонтальной плоско-
сти приемной антенны АМТ. На рис. 4.10 б хорошо видно
изображение той же стенки на том же примерно расстоянии
190 м, полученное с помощью ГБО, однако, геометрические
искажения изображения стенки практически отсутствуют, что
объясняется большей направленность приемной антенны Г в
горизонтальной плоскости в сравнении антенной АМТ. а
грамме хорошо видны также теневое изображение пирса, зона
углубленного фарватера на подходах к пирсу, обрамленная гр.
товой отсыпкой, и береговая черта бухты ^атроД^_
изменения горизонта лоцирования донных объектов до
изменить высоту излучающей антенны над дном,
реализуется соответствующим программным упр‘
АНПА. Можно отметить высокую корреляцию г i р • е н
ного изображения поверхности морского дна на
195
горизонтального разреза придонного слоя на томограмме, что
подтверждает возможность получения объемного изображен,,я
объектгьнаходящегося в придонном слое, в поле рассеянных в
обратном направлении акустических волн.
По результатам натурных испытаний можно с уверенностью
сказать что технические характеристики гидролокационного
комплекса ГБО-АМТ, такие как глубина лоцпрованпя объектов
в грунте и возможность ее перестройки, дальность действия при
иодировании объектов, сила цели которых соответствует отра-
жающей способности стенки морских трубопроводов, полностью
отвечает задаче мониторинга морских трубопроводов, которая
становится все более актуальной как не имеющая технических
решений до настоящего времени.
4.3. ФОТО-ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА И ЕЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ
Фотографические системы входят в состав многих обзорно-
поисковых и обследовательских аппаратов. В стандартном
исполнении система включает фотокамеру, вторичный источник
питания и импульсные осветители. Из промышленных разра-
боток фотокамер подводного исполнения в аппаратах, создан-
ных ранее в ИПМТ ДВО РАН, наибольшее применение полу-
чили фотокамеры КМК-35М, выпускавшиеся Казанским оп-
тико-механическим заводом. Камера с 35-мм фотопленкой и
емкостью кассеты 3100 кадров размещается в прочном контей-
нере диаметром 230 мм. Управление камерой и импульсным
осветителем с энергией излучения 300...500 Дж осуществляется
автоматически по программе автопилота. Современная техника
позволяет использовать в фотосистемах АНПА цифровые каме-
ры черно-белого и цветного изображения. Как альтернатива
наибольшее применение в системах технического зрения полу-
чают видеокамеры, имеющие очень широкий спектр возмож-
ностей и высокие характеристики по чувствительности и разре-
шению. Устройствами такого типа оснащены, в частности, ап-
параты МТ-98 , TSL". Ниже в качестве примера приведено
описание цветной фотосистемы реального времени, которой
оснащен автономно-привязной аппарат "TSL".
По своему исполнению телевизионная система с пост-
обработкой изображений состоит обычно из двух частей - бор-
тового видеоблока с импульсным источником света и судовой
ппаратуры для воспроизведения и визуализации полученной
196
информации. Бортовой блок включает видеокамеру и цифровые
устройства для предварительной обработки, кодирования и хрТ
нения видеоизображений. Судовая часть содержит устройства
быстрого считывания, декодирования и преобразования сигна-
лов для оперативного отображения информации на мониторе
судового компьютера. и
Цифровая фотосистема реального времени
для аппарата "TSL”
Цифровая фотосистема "TSL" работает под управлением
бортового компьютера системы технического зрения. В состав
фотосистемы входят цифровая камера, лампа-вспышка и фрейм-
граббер, который связан с бортовым компьютером посредством
шины PCI. Цифровая камера и фреймграббер изготовлены
фирмой VIDEOSCAN (Россия). Структурная схема цифровой
фото системы в составе "TSL" показана на рис. 4.11.
Цифровая фотокамера формирует изображение размером
1280 х 1024 пикселя. Интенсивность изображения в каждом
пикселе имеет разрешение 10 бит. Экспозиция может изменяться
от 56 мкс до 110 с и является программно управляемой. Мак-
симальная частота кадров составляет 7,5 Г. Камера имеет
прогрессивную развертку и может работать как в однократном
программно-управляемом от бортового компьютера, так и в
автоматическом режимах. Для обеспечения заданного качест-
197
ва изображений при работе как при естественном освещении,
так и от встроенных светильников камера имеет программную
пегулировку диафрагмы с помощью встроенного микроксиггрол-
ле?а связанного с бортовым компьютером интерфейсом RS-485.
Для получения полноцветного изображения осуществляется
цветное декодирование. _
фреймграббер управляет работой цифровой фотокамеры и
задает режимы ее работы на основе команд, поступающих от
бортового компьютера. Он обеспечивает синхронную работу
цифровой фотокамеры и лампы-вспышки посредством вы-
работки программируемой задержки между сигналом на сра-
батывание лампы-вспышки и сигналом на съемку кадра. Фрейм-
граббер содержит два банка памяти размером на кадр изобра-
жения каждый. В один из банков производится ввод изобра-
жения с цифровой камеры, а другой в это время может пере-
давать информацию с предыдущего кадра в компьютер через
шину PCI.
Лампа-вспышка обеспечивает требуемое освещение в об-
ласти съемки. Энергия вспышки устанавливается программно на
основе команд от бортового компьютера с помощью встроен-
ного в лампу-вспышку микроконтроллера, который связан с
бортовым компьютером посредством интерфейса RS-485. Мак-
симальная энергия вспышки импульсного светильника состав-
ляет 120 Дж.
Программное обеспечение цифровой фотосистемы состоит
из двух частей. Одна часть установлена на бортовом компьютере
системы технического зрения "TSL" и обеспечивает задание ре-
жимов и работу фреймграббера, фотокамеры и лампы-вспышки.
В процессе работы полученные цифровые изображения накап-
ливаются в бортовом блоке памяти системы технического зре-
ния. Вторая часть программного обеспечения цифровой фото-
системы установлена на компьютере пульта управления опера-
тора и предназначена для предобработки изображений, врезки в
него сенсорной информации и отображении на экране монитора
оператора в заданном формате.
Система передачи информации по оптоволоконному кабелю
включает судовой блок связи и блок связи для подводного
аппарата, вязь обеспечивается линией односторонней передачи
мтс^РТН0Г° цветного телевизионного сигнала (PAL, SECAM,
homv пД КЭНаЛ0М ^l^ernel 10 Мбит по стандартному одномодо-
вому волоконному световоду (МЭК G652)
198
Система обследования объектов
на основе ТВ-информации для подводного робота
Алгоритм работы системы выделения подводных объек-
тов. Процедура выделения прямолинейных объектов на изо
бражении включает предварительную фильтрацию, выделение
границ объектов, группировку прямолинейных элементов
границы, определение их длины, положения и ориентации в
кадре.
В системе реализовано, два метода выделения границ
объектов на изображении. Один из них основан на формиро-
вании усредненного значения градиента интенсивности с исполь-
зованием стандартного оператора Собела. Полагалось, что гра-
ница расположена в области с высоким значением градиента,
превышающим некоторый порог.
Выбор значения порога осуществляется на основе заданного
процентного соотношения пикселов, принадлежащих границам
от общего числа пикселов на изображении. Данное соотношение
получается путем априорных оценок аналогичных изображений
и обычно составляет 10-20%. Для формирования порога
предварительно строится гистограмма градиента интенсивности.
На ее основе определяется величина порога, которая делит
гистограмму в заданном процентном соотношении.
Второй метод основан на использовании сглаживающей
аппроксимации исходной функции Дх, у) интенсивности изобра-
жения полиномами Чебышева в скользящем окне размером 5хз
точек. Иначе говоря, для функции Дх, у) строится аппрокси-
мирующая функция F(x, у):
^х,у) = ^а^(х,у). (4'6)
Полагается, что граница объекта проходит чеР
изображения, в которых градиент интенсивности N * •
т.е. через точки перегиба. Таким образом, нео • _ м
делить точки на изображении, в которых втора Можно
равна нулю, а вблизи которых она изменяет знак. Можно
показать, что выражение для второй произвол
градиента имеет следующий вид:
Е"=ВР + Л ( °
где , /л <п
,4S)
199
D=2(k20S2+kuSC + k02C2\ (4.9)
v = pS, y = pC. 5 = sin6, C=cos6, p e (—1,.... I),
к - const 6- угол между направлением градиента п осью Ox.
Таким образом, граница находится в центре текущей области
аппроксимации, если D = 0, и В р изменяет знак в некоторой
локальной окрестности относительно центра, принадлежащей
данной области.
Следующим существенным предположением, на основе
которого строится алгоритм выделения протяженных объектов,
является предположение о том, что на некоторой последова-
тельности кадров протяженный объект представляет собой за-
шумленную прямую линию. Так как подводные кабели и трубо-
проводы имеют достаточно высокую жесткость, то такое пред-
положение вполне оправданно. Для выделения прямолинейных
границ протяженного объекта используется метод, основанный
на преобразовании Хоу.
В процессе выделения протяженного объекта на изобра-
жении в текущей версии системы выбирается восемь наиболее
длинных линий, соответствующих восьми максимальным значе-
ниям в полученном после преобразования Хоу пространстве.
При определении максимумов вводится минимально допустимое
расстояние между максимумами для того, чтобы избежать
ситуации, когда спад одного из максимумов принимается за
другой максимум. Для отсеивания коротких "шумовых" отрезков
линий длина каждого из восьми выделенных протяженных
объектов сравнивается с заданным порогом и если она меньше
порога, то соответствующий протяженный объект удаляется из
рассмотрения. После выделения протяженных объектов форми-
руется управление путем выработки программного курса, про-
дольной и поперечной составляющих тяги (угла дрейфа),
зависящих от величины смещения и угла поворота аппарата
относительно протяженного объекта.
Сформированное управление передается в автопилот для его
исполнения и сохраняется в бортовом журнале. Программа
завершает свою работу после того, как она выполнит указанное
оператором количество тактов работы системы. Пример осу-
ществления реальной миссии АНПА "МТ-98" при поиске и
отслеживании протяженной линии приведен в гл. 2, а подробное
описание алгоритма управления с учетом динамики аппарата
приведено в гл. 5.
200
для4’оесистема
электропроводных протяжЙнЙойктов
р"рх*.ботан° ~
U» систем поисх^Хр" "5га’,"ст"““ м.г-
[10-14]. Известей ’ Э-МИ'
фирмы TSSW, прелвазвачеявый для
управляемых лиимлых а„„арта Авал»г.яиые р'Х „то
водятся в Красноярском политехническом университете Изве-
стные ЭМС позволяют обнаруживать электропроводные протя-
женные объекты (ПО), но не предназначены для оперативного
определения ориентации носителя ЭМС относительно ПО и его
отслеживания. Разработанная в ИПМТ ДВО РАН электромаг-
нитная система [15-18] предназначена как для обнаружения
электропроводных протяженных объектов, так и для оператив-
ного определения ориентации подводного аппарата-носителя по
отношению к таким объектам, необходимого для управления
движением АНПА при отслеживании трассы прокладки ПО.
Принцип работы ЭМС
ЭМС содержит излучающую и приемную антенные системы,
усилительные устройства и устройства обработки данных.
В качестве антенн используются электрические и магнитные ди-
поли. Конфигурация антенных систем допускает большое разно-
образие и зависит, в частности, от решаемых задач. Соответ-
ственно, разнообразны и методы обработки сигналов. В [12]
приводится детальная классификация возможных вариантов.
Способ обнаружения и отслеживания металлосодержащпх
протяженных объектов, реализованный в ЭМС. предполагает
использование трех излучающих электрических диполей, кото-
рые, как известно, при работе в морской воде более эффек-
тивны, чем магнитные. Обычно используемая антенная система
с излучающим электрическим диполем схематически показана
на рис. 4.12. _
Она содержит возбуждающие электроды А, ,
ные по продольной оси аппарата, и приемные М, . оора
перпендикулярный диполь. В идеальном случае, очеш , р
емный диполь не будет подвержен воздействию 1 _ у
поля. Если обозначить угол между осью излучаюшI
линией ПО через у, то наведенный в объекте ток /, можно опре
201
Рис. 4.13. Принятая система антени ЭМС (вид сверху)
делить формулой
/,=/Г/г-3 cosy, (4.10)
где Ку - постоянный коэффициент, зависящий от конструктив-
ных данных и свойств ПО, I - ток в возбуждающем диполе А - В,
г-расстояние от диполя до ПО. Силовые линии электрического
поля, наведенного в ПО, будут направлены вдоль него. Поэто-
му выражение для разности потенциалов между приемными
электродами М, N можно записать в виде
Uo = К21уГ~2 sin у, (4.11)
где К", - постоянный коэффициент, характеризующий приемный
диполь.
Подставляя Ц из (4.10) и обозначив К, К2 I = Ко, найдем
По = КуК21г 5 sinycosy = O,5Kor~5 sin2y. (4.12)
Из выражения (4.12) следует, что при движении аппарата
строго вдоль ПО (у = 0) и поперек (у = 90°) полезный сигнал
равен нулю. Для того чтобы при обнаружении и отслеживании
ПО сигналы вырабатывались при любом положении АНПА
относительно ПО в разработанной ЭМС используется антенная
система, показанная на рис. 4.13.
202
ПР„г - А> -в- а- -
поперечной осей на углы ±7о. Параллельно^соедте^Хт"
Дов А А В В и М,М2, N,N2 создает эффект простейшей систе-
мы (А|А2 В|В2, М,М2 - N|N2), показанной на рис. 4.13. Таким
образом, делая соответствующие переключения, можно имити-
ровать угловые колебания аппарата с амплитудой у0 и обеспе-
чить обнаружение ПО при любом угле пересечения
Работа ЭМС происходит циклически. Каждый цикл содержит
три шага:
1-й шаг, возбуждаетси диполь А, ~ Вь прием ведется диполем
Mi ~ Nj
Ц =O,5£or 5sin2(Y + y0); (4.13)
2-й шаг, возбуждается диполь A2 - B2, прием ведется диполем
М2 “ N2
U2=O,5Kor~5 sin2(y-y0);
(4.14)
3-й шаг, возбуждается диполь А,А2 - В,В2, прием ведется
диполем М,М2 - N|N2
Uo = O,5A'or“5sm2y.
Используя переменные U] и U2 и, выполнив простейшие
тригонометрические преобразования, сформируем новые сиг-
налы
Us}=(U\ + U2)/cos2y0 = K0r-5sm2y, (4.15)
Us2 = (Ш -172) / sin 2у 0 = К/5 cos2b (4Л6)
Vs =(U$; + Us;')0'5 = Ког~\ (4.17)
a = 0,5arctg(|l/511/|№21)- ^4Л8-)
Сигнал VS характеризует наличие ПО независимо от угла у.
Поскольку выражения (4.15, Д16) содержат сигнал а
удвоенного значения угла у, испол“ ТОЛЬко при изменении
(4.18) в качестве оценки угла у можно только пр
последнего в пределах от 0 дто45 . Ц 0Упределить по
можном диапазоне изменении yuia г как показаНО в
величине а и соотношению сигналов ।
табл, 4.4.
203
Таблица 4.4
Уело- впя и, + U, < 0 1/, + U2 > 0 t/| + и2 = 0 1 (/, IH (7, 1
1 и21> >\и} 1 1 IA \< < 1 С/, 1 1 LM > >ll/| 1 1 U, 1 < < 11/, । С/, <0, U2 > 0 и} >0, и2<0 Ut >0. и2 >0 (/, <0, ЩсО —
-а а-90 90-а а 90 0 45 -45
Рассмотрим еще одну возможность - определение попереч-
ного отклонения аппарата от положения точно над ПО. Будем
считать, что аппарат расположен параллельно ПО или с не-
большим угловым отклонением (cosy = 1). На третьем шаге
будем использовать в качестве приемных диполей М, - М2 и
N, - N2. Как у поля возбуждения, так и у наведенного поля в этом
случае силовые линии направлены вдоль аппарата. Напряжения
этих пар электродов будут далее вычитаться, поэтому
напряжения непосредственно от поля возбуждения будут взаимно
компенсироваться и их можно далее не учитывать. Располо-
жение аппарата относительно ПО для этого случая показано на
рис. 4.14.
Два одинаковых параллельно расположенных излучающих
диполя А, - В2 и Ат - В, можно представить как один диполь,
полюса которого находятся в вертикальной осевой плоскости
аппарата. Для диполей Mj - М2 и N2 - N| можно записать:
Ks = W, UM = Ksr-3r-2, UN = Ksr-3r-2, (4.19)
где К3 - конструктивная постоянная.
К измерению бокового смещения аппарата (вид с кормы)
204
0,015 г ir
0,01 -
0,005 -
0
-0,005
-0,01
-0,015
Рис. 4.15. Характер сигнала 1/я при отклонении у аппарата в боковом
направлении. Масштаб по ординате условный, h = 2 м
Разность UM и UN обусловлена разницей в расстояниях гм
и rN, которые равны = h2 + (b + у)2, г2 = h2 + (b - Уу, где
h - высота диполей над ПО, 2Ь - расстояние между электродами
М и N, у - боковое отклонение АНПА от ПО. Учитывая, что
r2 = h2 + у2, определим разность t/N и UM
US3 = Ks{[h2+(b- у)2]’1 - [Л2 + (Ь + у)2]-1 }г'3 = 4Ksr~2by. (4.20)
Из выражения (4.20) видно, что сигнал U$} оказывается
пропорциональным отклонению у в поперечном направлении.
График зависимости US} от у приведен на рис. 4.15.
Для определения предела ±у5 отклонения аппарата в боковом
направлении, до которого соблюдается пропорциональная зави-
симость Us} от у, найдем первую производную сигнала (7Я по у и
приравняем ее к нулю:
dU„ / dy = 47С5й(Л2 + yj f'5[l - 2yj /(h2 + у2)] = 0.
Полученное после преобразований выражение для ys сви-
детельствует о зависимости от высоты:
|у5| = йд/% = 0.41Л.
Знак сигнала USi показывает, в какую сторону от ПО
нился аппарат, при этом рабочая зона сигнала сохраняется р
Удалении v порядка высоты аппарата над ПО.
Таким образом, рассмотренная схема ЭМС позволяет.
• получать три сигнала, однозначно определяющ . .
отклонение аппарата от ПО;
205
. вырабатывать сигнал V5. по которому можно определить
факт прохождения над ПО независимо от угла пересечения
•определять при движении вдоль ПО боковое смещение ап-
парата, используя для этого сигнал Us,.
Влияние изменения высоты, дифферента
и крена на сигналы ЭМС
Влияние положения ЭМС относительно дна на его работу
можно смоделировать через вторичное поле, отраженное от
грунта дна, порождающее так называемые синхронные помехи
и, соответственно, погрешности измерений. Расчет поля, отра-
женного от грунта, может быть выполнен на основе принципа
зеркального отражения [7]. Пусть имеется граница раздела сре-
ды с проводимостью о со средой, проводимость которой равна
О,. В этом случае источнику тока I в первой среде будет соот-
ветствовать источник тока 7, во второй среде, расположен-
ный в точке, соответствующей зеркальному отражению первого
источника. При этом ток второго источника следует считать
равным
7, =[(o-o1)/(o + g1)]7, fc = (o-o,)/(a + a1).
Величину к можно считать коэффициентом отражения.
В идеальном случае "плоскопараллельное" перемещение
аппарата относительно дна не будет сказываться на сигналах
ЭМС. Погрешности могут возникнуть лишь из-за неточного
размещения электродов. При колебаниях носителя над грунтом,
даже после компенсации собственного поля на данной высоте,
напряжение на приемных электродах в этом случае также будет
изменяться, вызывая погрешности измерений.
Для оценки изменения напряжений на приемных электродах
при плоскопараллельном движении от изменения высоты h
источник собственного поля (из-за неточного размещения элект-
родов) представим в виде паразитного диполя. Доля напряжения
на приемных электродах, наведенная полем такого диполя, будет
равной Ud- Uc-U , где Uc - напряжение компенсации, 77' - уро-
вень постоянной составляющей собственных синхронных (инст-
рументальных) помех, обусловленный, главным образом, навод-
ками в измерительных цепях ЭМС. Для приемных диполей
1 11 2т7 ^2’ УЧИТЬ1Вая влияние отраженного поля, можно
представить Ud в виде:
Udi2 = ^с,2 - Ц'2 = Kdl2I'd + kl'd(2hcy2, (4.21)
206
где - составляющая вектора тока (в НЯПпЯ=п
. - к а направлении оси ппиам
между S»e?TV«»« Х“Г^
производится компенсация. При изменении высоты изменение
напряжения на приемных электродах М„ N, или М2, N2, исходя из
выражения (4.21), будет равным 2’ 2> САидяиз
ДЦ, = 0,25kl'[h? -h~2) = C!h2 -C/h2=Co + C, !h\ (4.22)
где h - значение новой высоты, С = 0,25W', Q = -С
При проведении компенсации на горизонте hc значения ДС,
являются показаниями измерительных каналов ЭМС. В выра-
жении (4.22) неизвестным является значение произведения
0,25fc/j. Однако путем предварительной адаптации (измерений) в
пределах заданного горизонта (при гарантированном отсутствии
ПО вблизи АНПА) можно определить коэффициенты Со, С| и
использовать их в дальнейшем для коррекции показаний. На-
пример, скорректированные показания измерительного канала
U2 определяются как U2 = U2-C0-CJl^.
Изменения крена и дифферента аппарата могут также при-
водить к появлению погрешностей ЭМС, обусловленных отра-
женным от дна полем. Только крен или только дифферент
аппарата не окажет влияния на сигналы ЭМС с простой
антенной системой (см. рис. 4.12). При крене потенциалы на
приемных электродах не изменятся, а при дифференте изменятся
на одинаковую величину. Выражение для напряжения на
приемных электродах ЭМС, наведенное отраженным полем,
имеет вид:
~ гът ~ гоя’ + )’ (4'23)
где г„„, гЬт, гоп. гь„ - расстояния от полюсов диполя - источника
отраженного поля до приемных электродов.
= 4Й2 - 2hl sin у + 4hb sin 0 - lb sin 0 sin V + 0,25/2 + b',
r2m =4h2 +2/i/siny+4hbsin0+/bsin0sinv + O,25/ +b ,
r*n = 4h2 - 2hlsin у - 4hbsin 0 + »sin0sin V +0,25/’ + b\
r2„ = 4/r + 2hl sin V - 4hb sin 0 - Ibsin 0 sin V + 0,25/- + b~.
где Z- расстояние между полюсами излучающего диполя, V-
207
дифферент. 0- крен (по показаниям датчиков углового поло-
жения АНПА). / I тп
При трехдипольной системе антенн выражение (4.23) оста-
нется справедливым для сигналов Uo и Usl. Для сигналов [7, п U2
в выражение (4.23) следует подставлять соответствующие пере-
считанные значения синусов углов.
sin0,2 = sin0cosyo ±sinysiny0,
sin y12 = sin eg cos y0 ±sin0sinyo.
Характер зависимостей Uq(Q, у) и U$\(Q, V) свидетельствует о
том, что они фактически пропорциональны произведению 0у, а
их величина мала. Зависимость не показана, так как она про-
порциональна крену и несколько увеличивается при дополни-
тельном наклоне по дифференту. Так, при 0 = 5° US1 = 0,5 мкВ,
что соответствует погрешности в измерении бокового смещения
0,07 м. Фактически, крен носителя редко превышает 2°, так что
такой погрешностью можно пренебречь. На практике доста-
точно учитывать только влияние дифферента на сигналы U, и
U2. Выполнить это можно одновременно с адаптацией сигналов к
изменению высоты, добавив в выражение (4.22) член, учи-
тывающий влияние дифферента:
ДС(/г,у) = Со + С;,/Г2 + C^sin2 Mfh"2. (4.24)
Следует добавить, что вклад, вносимый в погрешность пос-
ледним членом многочлена (4.24), как показали эксперименты,
значительно ниже вносимого вторым.
Режим обнаружения
Работа ЭМС в режиме обнаружения ПО должна обеспе-
чивать формирование сигнала о наличии ПО и, желательно,
сигнала об его угловой ориентации. Все сигналы в той или иной
мере несут информацию, необходимую для обнаружения, однако
наиболее приемлемы в этом случае сигналы U} и U2.
Действительно, сигнал Vs (4.17) однозначно характеризует
интенсивность поля ПО в точке приема ЭМС, так как V5 = KIfir).
функция Дг) - убывающая с расстоянием в дальнем поле),
" 5 имеет четко выраженный максимум при проходе
чения ПСЬюпит ' Д°Статочно точное определение угла пересе-
чения НО производится по сигналу у5.
птен^пгтпЛее привлекательным с точки зрения помехозащи-
щенности является сигнал Ua или (С, + Д2), Он не реагирует на
208
изменения высо1ы и дифферента. Знак этого сигнала всегда
соответствует знаку угла отклонения у, а по экстремуму сигнала
можно судить о моменте пересечения ПО. Однако при углах,
близких к 90 , его использование невозможно. Для этих случаев
наиболее приемлемым является сигнал Vs, который, к сожа-
лению, подвержен заметному влиянию изменений высоты. Для
исключения этого влияния можно использовать как фильтро-
вание сигналов, так и предварительную их адаптацию к изме-
нениям высоты и дифферента, как это описывалось выше.
При высокоточной стабилизации движения аппарата доста-
точно использовать только фильтрование сигналов ЭМС и От-
фильтрованный сигнал (t/|F = £/)t- U\h, U2F — Угн) пред-
ставляет собой разность показаний сглаживающих фильтров с
малой (около 1 с) и большой (около 1 мни) постоянными вре-
мени. По сигналам (UIF + U2F) и Vs производится контроль мо-
мента пересечения ПО, а по сигналам U]F н V2F вычисляется угол
отклонения у.
Режим отслеживания
В режиме отслеживания носитель ЭМС должен двигаться
вдоль ПО с возможно меньшими отклонениями. Как уже
упоминалось выше, зона работы ЭМС ограничивается при его
смещении относительно трассы ПО. При проведении угловых
измерений основными сигналами являются С/, и U2. Учитывая,
что угол отклонения у в этом режиме не выходит за пределы
±45°, его оценкой можно считать сигнал у5 = 0,5 arctg(Ci,/Ci2)-
Наиболее устойчивым способом отслеживания трассы проклад-
ки ПО является движение вдоль нее "змейкой" с углами пере-
сечения ±30-45°. При этом работа ЭМС мало отличается от ра-
боты в режиме обнаружения. На рис. 4.16 приведены реальные
диаграммы первичных сигналов ЭМС и курса аппарата, полу-
ченные в период испытаний системы на борту АНПА "МТ-98".
Приведенный фрагмент соответствует заданной миссии аппарата
по отслеживанию протяженного участка кабеля в режиме
"змейка".
При движении вдоль трассы ПО с меньшими углами откло-
нения (менее 20°) и, соответственно, с большей скоростью мож-
но использовать сигнал Us3 (4.20), определяющий боковое сме-
щение. Для подтверждения момента пересечения трассы ПО в
этом случае можно использовать сигнал Vs (4.17). Раоочий
Диапазон измерений бокового смещения АНПА (v) должен оыть
ограничен величиной ) у I порядка 0,5-0,lh и контролироваться
14 Автономные 209
Рис. 4.16. Диаграммы первичных сигналов ЭМС и курса АНПА
(Heading) при отслеживании трассы прокладки кабеля; А/ = 245 секунд
по уровню сигнала Vs. Как и в режиме обнаружения необходим
учет влияния на сигналы изменений положения носителя ЭМС
относительно дна.
Программа формирования миссии аппарата, соответствую-
щая рассмотренному режиму, описана в гл. 2, а алгоритм управ-
ления в гл. 5.
Глава 5
УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ АНПА
И ОРИЕНТИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ
5.1. ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ
И МОДЕЛИ ДИНАМИКИ
Развитие структуры и методов управления пространст-
венным движением АНПА относится к числу проблем, от
решения которых зависят функциональные свойства аппаратов,
т.е. их способность выполнять те или иные задачи. Наряду с
обобщением традиционных" задач и методов управления акту-
альными являются постановка и решение поведенческих задач,
связанных с поиском и детальным обследованием (инспекцией)
объектов в придонном пространстве, ориентированием в среде
при осуществлении целенаправленных протяженных маршрутов,
выполнением прецизионных измерений параметров физических
полей.
Общая постановка проблемы приводит к необходимости
построения многозадачной структуры системы управления
движением, осуществляющей функции формирования программ-
заданий и планирования поведения, отображения информации
о среде и векторе состояния, оценки ситуаций и организации
пространственных траекторий для различных режимов уп-
равления.
В зависимости от характера и степени сложности задач,
решаемых с помощью АНПА, можно выделить следующий
класс управлений и соответствующих им пространственных
движений:
• формирование планомерной или корректируемо сети
траекторий прн поиске и обследовании областей, о ъектов
и физических полей; , _ „„„
• выбор трассы в условиях сложного рельефа дн Р
целенаправленном поиске с выходом аппарата в зада
•маневрирование в ограниченной области ^л*1
нированпе в точке при детальном обследован i
211
• пространственное движение с выработкой ориентиров по
изменчивости измеряемых параметров средь, и коррекцией
навигационных данных;
. адаптивная коррекция параметров системы управления при
изменении миссий аппарата и состояния среды.
Рассмотрим формальную математическую модель, отражаю-
щую геометрию, навигационные И динамические свойства
взаимосвязанных между собой типов движения.
Формальная модель установившегося пространственного
движения (Х(г), У(0, Z(r)} в локальной неподвижно» системе
отсчета может быть представлена совокупностью программного,
реального и наблюдаемого движений, описываемых урав-
нениями вида
наблюдаемого движений, описываемых урав-
X = ,u(t/)coscp(t/)cos\|/(t/) +ига,
y = D({7)sin\|/({7) + D7T,
Z = V(t/)cos\|/(t/)sincp(t/) +
(5.1)
где и - скорость, ср - курс, \|/- дифферент, U- управление, реа-
лизующее заданную программу изменения величин X, Y, Z, 1), ср,
\р, Г, {Vre, Vjt, 1>tz) ~ вектор течения.
Для построения динамической модели АНПА как тела,
движущегося в вязкой среде, используются законы гидро-
механики, выраженные в виде уравнений для действующих сил и
моментов. При составлении уравнений движения исходят обычно
из общепринятых предположений об идеальности жидкости,
совпадении главных осей инерции аппарата с его осями сим-
метрии, о малости приращений угловых кинематических пара-
метров и т.п. Все эти допущения справедливы для существую-
щих типов АНПА и большинства рассматриваемых режимов
движения. Теоретические вопросы построения модели движения
подводных аппаратов с учетом сил взаимодействия корпуса с
вязкой средой рассматривались в ряде работ [1—4]. Известно, что
даже при использовании ряда упрощающих предположений
модель движения имеет весьма сложный для анализа вид.
Для описания пространственного движения аппарата исполь-
зуются, кроме введенной выше неподвижной системы координат
OXYZ, две подвижные:
• поточная (скоростная) система координат Axyz, помещенная
в центре масс аппарата и ориентированная осью Ах по век-
тору скорости;
212
• связанная с корпусом аппарата система координат Ax^Zj, в
которой ось Ах, Направлена по продольной оси аппарата.
Взаимная ориентация этих систем характеризуется углами
атаки а и дрейфа (3. Координаты {х, у}, и (х, z), (xj, z>}
связаны преобразованиями:
л, cosa-y( sin a,
У - X] sin a + у! cos a,
(5.2)
x = x, cosp-Zj sin0,
Z = x, Sinp + Z1 Cosp,
(5.3)
Для записи уравнений движения
связанную систему координат Axtyt
проекции поступательной скорости
рости {<0,1, <ф1, (0,1).
принято [1-3] использовать
Z|, в которой выражаются
(V*i, Vyi, V:l} и угловой ско-
С учетом общих предположений
уравнения движения в виде:
в работах [2; 3] получены
(М + XH)Vx + (M + X23)coyVz-(M + X22)O),Vy =F„,
(М + X22)Vy + (М + Хи)согУЛ-(W + Х33)ш,У, = Fy,
(М + X33)V; + (Л/ + Х22)сол Vy - (М + )соу Vx = Е,
(/„ + Х^со, + [(/к + Х66) - (/w + Х53)]согсоу + (Х33 - Ха)УуУ: = М„
U„ + Х33)Фу + (Хи -X33)Vy И = Му,
+ Хбб)ш, +[(/л, + Х33)-(/„ + Х44)]шгшу + (Х,2 -Х„)УД = И,
(5.4)
где М, 1^, Jyyt /П)> _ масса, моменты инерции "сухого" аппарата
и присоединенные массы жидкости, Fx, F„ F., М„ My, M. - проек-
ции внешних сил и моментов. Индекс "1” в проекциях величин
опущен,
В большинстве случаев для исследования режимов движения
прибегают к разделению уравнений (5.4) на подсистемы, описы-
вающие плоские движения, и игнорируют взаимосвязь каналов
управления. В частности, как уже отмечалось, можно пре-
небречь вращательным движением по крену и его влиянием на
другие каналы.
Отметим важную особенность уравнений движения, связан-
ную с выбором компонент вектора состояния. В системе (5.4) в
213
Рис. 5.1. Системы координат п схема действии сил в вертикально!! (а) и
горизонтальной (6) плоскостнх
качестве переменных состояния взяты величины линейных и
угловых скоростей. Для анализа динамики аппарата представ-
ляется более удобным использование естественных перемен-
ных - поступательной скорости 1), глубины Н, курса ср, диф-
ферента у, углов атаки и дрейфа а, Р, пространственных коор-
динат (X, У, Z). Такой выбор основных переменных состояния
принят, в частности, в "самолетных" схемах, и при использовании
как связанной, так и поточной (скоростной) систем координат
это значительно упрощает модель движения АНПА. С учетом
сказанного пространственное движение АНПА во многих прак-
тических случаях может быть описано с помощью двух систем
уравнений, характеризующих движение в вертикальной и гори-
зонтальной плоскостях. Это соответствует также разделению
каналов управления, что обычно имеет место при осуществлении
большинства программных траекторий.
Взаимодействие аппарата со средой характеризуется гидро-
статическими, гидродинамическими и управляющими силами и
моментами (рис. 5.1). К гидростатическим воздействиям отно-
сятся остаточная плавучесть Р, продольный и поперечный вос-
станавливающие моменты остойчивости:
Mqx = Y^o sin 6, AYOz = у!//!,, sin у,
где у- удельный вес жидкости, V- объемное водоизмещение
аппарата, hQ - метацентрическая высота.
К гидродинамическим воздействиям относятся:
•силы вязкого сопротивления, складывающиеся из сил
сопротивления формы и сил трения;
• силы инерционной природы, зависящие от присоединенных
масс жидкости.
214
Силы вязкого сопротивления п™.
Действующей R и ее момента вклю^^Л виде равно-
демпфирующие составляющие "п * ЮШ’ИХ позиционные и
силы и момента в системе кооопииЯт1ЧИИ гидР°Динамической
вестным формулам гидромеханики [3]: ВЬ,ЧИСЛЯЮТСЯ по из-
R>=~v2"cX'
;V/. = ~ Vmr^>+~-V^mr(a>f \
«, (5,5)
В приведенных формулах использованы следующие обозна-
чения:
Сх, Су(а), Су(со2), С/р), C;(a>>.),zny(P),zHv(co),),zH,(a),zH.(a),)
- безразмерные гидродинамические коэффициенты, р - плот-
ность воды.
Позиционные коэффициенты С„ С,(а), С.(Р), т,(₽), т.(а)
зависят от формы аппарата и режима обтекания, который харак-
теризуется числом Рейнольдса. Демпфирующие коэффициенты
Су(со2), С2(соу), m/со/, mz(a>.) вызваны изменением местных углов
атаки по длине корпуса вследствие вращения аппарата. В том
случае, когда корпус аппарата обладает симметрией относи-
тельно продольной оси, безразмерные характеристики по осям
Ay, Az одинаковы.
Используя приведенные выражения, представим уравнения
движения в виде двух подсистем.
Уравнения движения в вертикальной плоскости:
mti> = -7?t(v>,a) + Psini3 + Ttl cosa- PV1 sin a + R^,
mywd = Rv (t>, a, \j/) + Pcos i? + 7’vl cos a + 7/ sin a + R^,
Ry = Mo sin у + A/.(v,a, Y)+M:ynp, (5-6)
X = BcosO + Uj-,, r = vsin^ + v7),, y = d+a
215
Уравнения движения в горизонтальной плоскости:
,н> и = -Л, (и, 0) + Л ।cos 0 - 4isin ₽ + R>.i
их = Л(и.0,ф) + T:l cosР + Л, sin р + R:J.
дф = М(.(и,р.ф) + ЛАупр’ (5-7)
Х = vcosx + 'иг,- Z = vsinx + и7-’ Ф-Х + Р-
В уравнениях (5.6), (5.7) приняты следующие обозначения:
;нх=М + Хи, ?nv = M + X22, »ь=М + Х33,
Л = Лг+\55> 4=42+V
4ц Х22, Х33, Х55, Хб6 - присоединенные массы и моменты инерции
жидкости, ТЛ1’, Т3.1, Т:Ь Мууар, Mz).np-проекции управляющих сил и
моментов в системе координат, связанной с корпусом аппарата,
$ _ углы подъема и поворота траектории, R„ Ry, R:, Му, Мг -
гидродинамические силы и моменты, Мо - момент остойчивости,
Rxd, Ruh R-j- возмущающие силы, имеющие случайный характер,
Р - плавучесть.
Один из наиболее существенных факторов, усложняющих в
общем случае анализ движения, обусловлен влиянием присоеди-
ненных масс жидкости, которые характеризуют инерционность
слоев жидкости, увлекаемой при движении аппарата. Существует
ряд приемов вычисления присоединенных масс и моментов
инерции для тел достаточно простой формы [3]. Для аппаратов
симметричной обтекаемой формы с малым водоизмещением и
совершающих плоские движения обычно принимается, что
влияние присоединенной жидкости проявляется в виде увели-
чения массы и моментов инерции.
При осуществлении пространственных движений с произ-
вольными углами атаки и дрейфа следует рассматривать при-
соединенные массы {mx, пгу, >п,} как векторы, для которых
справедливы преобразования вида:
тл “ -mt0)sina, тх = тх0 +(mz0 - mv0) sin 0,
my = my0-(my0-mx0)sina, т2 = m;li -(mz0 - mA0)sin 0, (5.8)
т>0' 1,1:0 ~ массЬ1 при продольном обтекании тела (а =
Силы вязкого гидродинамического сопротивления можно
представить в виде суммы позиционных и демпфирующих
216
составляющих, которые записываются в линеаризованном виде:
^(и,р,ф) = ^(п)р + /?“(п)(р, (59)
Му (у, р, ф) = М* (у) р + м“ (и) <р,
М2(о,а,у) = М2“(о)а + М“(о)\(/.
Режимы движения с круговым изменением направления
вектора тяги порождают большие углы атаки и дрейфа и
обусловливают необходимость применения иной модели.
В данном случае, как известно из экспериментальных резуль-
татов продувки моделей аппаратов, безразмерные гидродина-
мические коэффициенты являются почти-периодическими функ-
циями угла атаки и дрейфа на интервалах {-л < а, Р < л}.
Это позволяет использовать аппроксимации гидродинами-
ческих коэффициентов С„ Су, Сг, т.у, mz в виде взвешенных сумм
конечного числа гармонических составляющих:
(а\ (сЛ
(оА " (сЛ (сА
<Цр]=£ c<y.zusin^p} "ЦррХ "wsm\p)
где все коэффициенты аппроксимации и их число п подбираются
под конкретные характеристики при {-л < а, р - л}.
Тогда составляющие сил сопротивления в вертикальной
плоскости представимы в виде:
ЯДр.а) = P^(rot + rLt cosa+ r2t cos2a),
15.10)
Так. ия коэф*™.»™.
параметров модели аппарата L.K о
217
оценки:
„|>0 = 1380 кг, »tv0 = 2440кг,
г =2870Нмс2, У = 0,92м1, Мо = -12ОНм,
r0i=0,32, rn=0,03, r2v =0,14,
= 0.45, С“=0,92, „I. = -0,25, щ“=-0,85.
Управляющие воздействия при использовании кормовой и
носовой секций движителей имеют вид:
Тх =(7] + Т2 + Г, + T4)cos3,
Ty=(7]-T3)sin5 + r5 = т; +т;,
м;-пр = (7, _ ) sin 5. + т5ьа = г; • LK + Т” L„,
г г,к л f п« А
т(=г««Ш т«=т«
где Т„ 73, Т}, Tt - упоры кормовых маршевых движителей, LK,
Ц,- плечи сил кормовой и носовой секции, Т5 = Tv - упор
вертикального носового движителя, Т™’ - максимальный упор,
8 - угол наклона кормовых движителей, {/£, {/"-управляющие
функции для кормовой и носовой секций движителей, т>0 -
составляющие массы аппарата при а = 0.
Аналогичные выражения справедливы и для составляющих
сил в горизонтальной плоскости.
Для приближенной оценки позиционных и демпфирующих
характеристик аппарата на стадии проектирования обычно
используются эмпирические зависимости, определяемые формой
корпуса и оперения [1; 4]. В дальнейшем полученные результаты
сравниваются и уточняются на основе продувки моделей в
аэродинамической трубе и испытаний в опытовом бассейне, а
также путем идентификации параметров модели на основе
результатов траекторных измерений. Применение такой методи-
ки позволяет достаточно точно определить основные гидро-
динамические параметры реального аппарата. В качестве при-
мера в табл. 5.1 приведены данные для некоторых АНПА.
Уравнения (5.6), (5.7), выраженные в естественных перемен-
ных, удобны как при исследовании динамических процессов на
вычислительной модели, так и при синтезе большинства
алгоритмов управления. При малых угловых величинах уравне-
218
— Таблица 5.1. Гидродинамически [ ”МТ’88" "Тифло,,ус^ Г коэффициенты
"CR-ОГ
1 ДО 0,57 0,46 072 0,86 о,4О °’85 0,70 ОКРО-бООО"
Су mz 1.40 0,38 1.11 1,08 1.3 0.48 1,00 0,94
ния движения приводятся к нормальному виду:
Л,/Л = £ <J = I...4, (5Л2)
dX/ dt = y> cos(x3 - х2),
dY/dt = wm(x3 — x2),
dy,ldt = ^ Cijyj+d'U?, i,j = 1...3,
J
dX/dt = v>cos(y2-yl\ (5.13)
dZ! dt = usin(y2 - Ti )•
В формулах (5.12), (5.13) приняты обозначения:
%, - рассогласование по вертикальной координате (глубине),
х2 - угол атаки, х3 - дифферент, х4 - угловая скорость,
У! - угол дрейфа, у2 - курс, у3 - угловая скорость по курсу.
(5.14)
О я12 я13 О I О
II ^21 ^22 ^23 ^24 , _ ^2
М= о о” О 1 ’ •' О
^41 ^42 ^43 ^44 ^4
а12=и, a13=-U <*21 - а2з ~ a4i О’
a22=-/?;/mvU, =
(5.15)
219
а,,=М?Н:. аи=-МУ1-.’ (5Л6)
Сн =ЛР/»>Л С12 =С32 =0,
С11 = !-£“/ ш.и, с?1 = ~м, 1 с» = М' 1
ь2 = -т;"”' / mV, ь4 = м:"“р 14 ’
J, = -Г’“ / Л, d3 = м™'р / (5.17)
щ и„-управляющие функции, удовлетворяющие ограниче-
ниям'! 1,1141*1-
5.2. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ И ДИНАМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА АНПА ПРИ ОСУЩЕСТВЛЕНИИ ЖЕСТКИХ
И КОРРЕКТИРУЕМЫХ ПРОГРАММ И ТРАЕКТОРИИ
Первоначально задачи и методы управления движением
АНПА [1] рассматривались лишь с учетом стандартных требова-
ний к динамике аппарата в режимах стабилизации курса и глуби-
ны, зависания, движения по эквидистанте от дна при достаточно
пологом рельефе. В большинстве случаев для управления ис-
пользовался линейный автопилот, отрабатывающий вводимую
перед пуском программу изменения курса, глубины или расстоя-
ния до диа. Основная проблема при выборе структуры и пара-
метров управления заключалась в обеспечении компромисса
между условиями управляемости и устойчивости (точности) в
рамках решения линейной задачи при ограниченных по величине
управляющих силах. В этом отношении практически во всех из-
вестных образцах АНПА реализованы однотипные простые ко-
мандно-программные принципы управления. Некоторые допол-
нительные требования накладывались при управлении движе-
нием подо льдом и при производстве прецизионных измерений.
Вариацией программных параметров можно сформировать
все многообразие траекторий, составленных из сопряженных
прямолинейных, круговых и зигзагообразных типовых элемен-
тов. Программное движение задается одним из двух способов:
а) в виде кусочно-постоянных зависимостей скорости x>(.tk), курса
Ф(11), угловой скорости ф(^), глубины Y(tk) или высоты над
грунтом h(t3 на интервалах времени tk,
б) покоординатным заданием точек траектории {х"р, r/'₽,Z"p} с
регулярным либо произвольным шагом в зависимости от кон-
кретных условий.
220
При формировании и коооекпии
алгоритм включаются следующие основ./ я?' движения в
ления: дующие основные функции управ-
• формирование программной траектории, исходя из апоиоо
д,™“""" °“™
• контроль условий выполнения коррекции курса при
движении к заданной точке и при переходах на очередной
галс; г *
• контроль временных интервалов, отведенных на отдельные
элементы программы.
Для организации условных переходов используются парамет-
ры, вводимые в качестве исходных данных: число заданных
точек программной траектории, радиус окрестности точки цели,
характеризующий точность функционирования закона коррек-
ции, допустимая величина угла пеленга, временные интервалы.
Аргументами управляющих функций (U„ Uy) могут быть:
• скорость в и ее рассогласование Ди = и - us с заданным
значением V,;
• рассогласования ДН = Н - Hs, Ah = h- hs глубины H или
высоты h от заданных значений Hs, hs\
• рассогласование Д(р = <р - <р5 текущих <р и программных <р,
значений курсового угла, угловая скорость рысканья ф;
• угловая скорость со5 вращения по кругу заданного радиуса;
• дальномерные параметры г„ их производные г, и
рассогласования Дг, = г, - ги,
• координаты точек {Х„ Z,}, пеленги 0, или курсовые углы е,.
В общем случае задача стабилизации параметров движения
может быть сформулирована следующим образом.
Пусть gM, W, g(4). ~ векторы программных и
реализованных параметров, определяющих вид траектории дви
жения в горизонтальной и вертикальной плоскостях при СОПР
жении прямолинейных и круговых элементовi на '
времени tk, и gM, - соответствующие векторы измеренных
(вычисленных) параметров. ,, , u ч
Требуется сформировать управление Us(g^ &>)• ”
обеспечивающее выполнение условий
в установившихся движениях на^"™щ®Ре3адан^1О^чность
tk, где es, е„ - векторы, характеризуют^
стабилизации.
221
Рис. 5.2. Пример формирования и осуществления программы движе-
ния АНПА "CR-01"
а - программа-задание в графическом виде, б — траектория движения в
вертикальной плоскости и профиль рельефа дна
Простейший способ решения задачи - использование линей-
ного автопилота с ограничениями на управление. Более сложные
варианты связаны с введением нелинейной адаптивной коррек-
ции и самонастройкой параметров управления.
На рис. 5.2 приведен пример формирования и осуществления
жесткой программы движения по курсу и расстоянию до дна во
время испытаний АНПА "CR-ОГ1. При представлении програм-
мы использован графический интерпретатор.
Стабилизация курса. Оценим динамические свойства систе-
мы курсовой стабилизации, используя уравнения (5.7) или (5.14)
при управляющих воздействиях:
тг = М™ = = К|фД<р + К2ф<р, | и„ | < 1, (5.18)
где Klv, K2lf- коэффициенты усиления, Д(р = <р- <рзад- рас-
согласование по курсу.
Запишем характеристическое уравнение для замкнутой
системы с управлением (5.18):
рДф(р)-^1ф(щ2и</3р + /^</3 +Л/^)-
- K2lf (mzv d3p2 + R» d3p - j = o,
гДе Дф(р) = lymzvp2 Iy -mzvM^p + - nKV )-
Легко показать, что при К1ф < 0, К2ф < 0 и при условии
2 = >0 (5.19)
222
проблем с обеспечением устойчив
Последнее условие является условней» системьг не возникает,
чивости по курсу для статически Др°динамиче«ой устой-
КИ НеУст°ИЧИВЫХ Объектна
\МУ > 0), и для большинства аппаратов хапякт
приведены в табл. 5.1, данное 1ЛТ ‘«Р”™ которых
лежащем выборе размеров и формыИстаб'П°ЛНЯеТСЯ ПрИ над’
чение составляет аппарат 4ифлонуС' v кот3аТ°Р°В- ИсКЛ1°-
условие не выполняется из-за наличия доста?оХУ большой
гидродинамической неустойчивости корпуса, а устойчивость
движения обеспечивается за счет выбора структуры. и пара
метров управления. ур ра
Управляемость системы по курсу характеризуется угловой
скоростью <рс круговых движений при максимальной величине
управления (17ф - 1) или минимальным радиусом Rc устано-
вившейся циркуляции:
<Pe=[^i+(^ + /?.t)</3]e'1, Rc = Miid1+^ + R^d,. (5.20)
Указанные параметры могут изменяться в широком диапа-
зоне в зависимости от соотношения упоров и моментов, созда-
ваемых кормовыми и поперечными движителями, и, соответст-
венно, от скорости движения в режимах хода и позициониро-
вания. В большинстве случаев при осуществлении жестких
программ-заданий скорость движения постоянна на отдельных
временных интервалах, и маневрирование по курсу производится
путем изменения управляющего момента при постоянном
маршевом упоре.
При выполнении курсовой программы, включающей режим
позиционирования или интенсивного маневрирования с перемен-
ной скоростью, маневренные свойства аппарата определяются
его динамикой в целом при изменении всех действующих сил.
Практические примеры осуществления подобных программ
приведены в гл. 2, 3, а примеры моделирования - в работе [26].
Стабилизация глубины. Оценим динамику системы стабили-
зации глубины, исходя из общих требований к качеству пере-
ходных процессов при отработке заданных программных значе-
ний глубины и действии внешних возмущений.
Рассмотрим вначале динамику системы при лине! ном упр
лении вида и = Ук,.х, с постоянными коэффициентами усиле-
ния К. и ограничением I £7 I < 1 Структурная схема замытой
системы стабилизации глубины в операторном вид р
лена на рис. 5.3.
223
Рис. 5.3. Структурная операторная схема системы стабилизации
глубины
Передаточные функции, использованные в структурной
схеме, имеют вид
2н/(*) = -[Л? + (я;d - ) 5 + Ry - Мо - М “ ],
Qvf(s) = myVds-M“ + R'yd, (5.21)
w„Xs) = S„r(s)v/(s2(.s)),
2„r(j) = [// -M“s- Mo]R'y + M?R“s,
wVfw=evrw/m
2Vr(s) = -myMfs,
где d- плечо управляющего момента,
Q(s) = J2myx>s2 - [M“mvu + яуи]? -
-[ЧХ + (Ч“ +Mo)myv-M^R^s~MoR'y, R'y = Я“ +ЯЛ.
224
Управление U(HStf) в линейной системе имеет вид:
U(H, V) = + W/s)? + Ks £дн +
+[kv + K^]v=c/„ + t/v,
а суммарная погрешность измеряемых сигналов датчиков
61/ = К„ЪН + W0(s)8H" +
где Х,„ Ку, Ку - коэффициенты усиления.
Передаточная функция в замкнутой
глубины по величине SU имеет вид:
системе стабилизации
0™(5) = P^2h/(s)/£>(5),
(5.23)
где r»(5) = j6(5)-^z6h/(5)J K„ + Wa(s)s2 + Ks-
L s
-KfQHf(.s)s^Ky + К^,х), Kf- коэффициент усиления линеаризо-
ванного звена Ту =fl.u).
Передаточную функцию по возмущению rv можно пред-
ставить в виде:
K,U 1
х 2HA^)-^L(2Hr(5)ev/(s)-eHj(s)2vr(s)) • (5.24)
I Л f) т J т
В Последних выражениях обычные преобразования приводят
к значительному увеличению порядка исходных соотношений п
являются довольно громоздкими для анализа.
Рассмотрим вначале некоторые простейшие соотношения,
характеризующие управляемость, устойчивость и точность
управления.
Как известно [1; 3], управляемость (маневренность) аппарата
по глубине в режиме "крейсерского" движения зависит от
соотношения сил гидродинамического сопротивления, управляю-
щих сил и плавучести аппарата. Характеристиками управляе-
мости могут служить максимальная величина вертикальной
составляющей скорости или максимальный дифферент при
погружении (всплытии). Аналитические выражения для этих
величин могут быть получены лишь при условиях линеаризации
15 Автономные
225
j 2 Рис. 5.4. Примеры пмплитуд.
’ пых частотных характеристик
глубины Н, м; дифферент а Ф, рад,
0.9 - \Х (со) = 0,005 i
\ \ а) К1 = 5; К2 = 70; КЗ . 30 (-)
0,6- \ \ б) KI = 1; К2 = 15; К3 = 6( —)
\н X.
03 . \ системы уравнений, в частнос-
--'-- ти, при малости угловых вели-
QL>r । 7 ~ । । i г- । । чин Наибольший практический
1 интерес представляет обеспече-
ние маневренности и устойчи-
вости при любых углах ориентации аппарата, что особенно важ-
но при движении вблизи дна со сложным рельефом. Некоторые
соотношения, характеризующие динамику аппарата в этих
случаях, будут рассмотрены далее.
Область собственных частот системы можно оценить,
рассматривая частотные характеристики. Для примера на
рис. 5.4 приведены амплитудные частотные характеристики для
глубины и дифферента при различных значениях параметров
управления.
При построении характеристик использованы данные АНПА
"МТ-88", приведенные в табл. 5.2. Величина момента остой-
чивости Мо принималась Мо = -50..-70 Нм.
Аналогичные вычисления для других АНПА ("CR-01",
"ОКРО-бООО" и др.) показывают, что область собственных частот
лежит в диапазоне 0,1-0,2 с-1, а для менее инерционных аппа-
ратов, например АНПА "Тифлонус", частота имеет порядок
0,25-0,3 с-'.
Типичный характер переходных процессов, иллюстрирую-
щих зависимость качества управления от выбранных параметров
линейного регулятора и параметров коррекции при отработке
рассогласований по глубине, показан на рис. 5.6-5.9. Рассмотрим
ряд особенностей в выборе и коррекции параметров управления,
Таблица 5.2. Гидродинамические характеристики АНПА "МТ-88"
с‘ — С“ к. К,. К-
0,035 0,71 0,52 0,94 1,59 0,05 0,93 0,78
R Нс2 RX'~2~ м Нс2 Нсг Ку . м м М?,Нсг т„ кг Шу, кг Л.кгм-
220 334 429 237 -НО 960 1760 1820
226
учитывая противоречивые требования к устойчив
мости и точности системы при отоаботкрУп^Й И' Управляе-
возмущеиий. годных воздействий и
Анализ устойчивости движения
и коррекция управления
Для исследования устойчивости системы (5 6) или (5 121
рассмотрим вначале некоторые соотношения для выбора пара-
метров линейного управления U = К, х, + К3 х3 + х4 с постоян-
ными коэффициентами К, (1=1- 4).
Отметим некоторые особенности этой системы
Первая особенность связана с тем, что характеристическое
уравнение для матрицы коэффициентов I а,; I, нейтральной по от-
ношению к координате х, (глубине), имеет один нулевой корень.
Как известно [16], доказательство устойчивости движения в
этом случае при наличии ограничений на управление требует
специальных преобразований системы уравнений, позволяющих
использовать аппарат функций Ляпунова. Другая особенность
обусловлена наличием гидродинамической неустойчивости кор-
пуса аппарата по отношению к углу атаки (zn“>0). Величина
последнего параметра зависит от формы корпуса и размеров его
хвостового оперения и характеризуется взаимным положением
центра масс и центра гидродинамического давления. И, наконец,
в управляющем воздействии U отсутствует сигнал, пропорцио-
нальный координате х2, поскольку предполагается, что угол
атаки - величина неизмеряемая.
Необходимые и достаточные условия устойчивости системы
(5.12) при любых начальных отклонениях координат х,(0)
устанавливают связь между параметрами К„ зависящую, в част-
ности, от величины скорости Ц и гидродинамического коэффи
циента т,.
При реально существующем физическом^ограниченин на
величину управляющего воздействия (I и — 1
необходимость также и в ограничении на начальные
по глубине и угловые параметры. В теоретическом
возможна постановка задачи выбора управлеш , .
щего устойчивость системы "в целом . ак, р
рассматриваются управляющие функции вида _
(y = a(x,...x„)-H.f,-Л,)- ’
где функции ^,...х„) заданы, а величина а, удовлетворяющая
227
VCJI0Ml0 I сс I < 1- подлежит определению. Достаточныеусловия
“Хости "в целом" можно определить, используя функцию
Ляпунова’для линейной части системы и матричные алгебраи-
S преобразования, приводящие ее к специальному виду.
ЧеС Задача решается выбором величины а в виде.
a = sign£ V/.
(5.26)
гае параметры к,: алгебраически связаны с параметрами системы
(5 13) коэффициентами определенно положительно!! квадратич-
ной формы (функции Ляпунова) и параметрами линейного
преобразования системы.
В случае F = 1 имеем чисто релейную систему, а при F =
= sat(Kx„/T), a = sign£ kt„Xlxn - систему с ограничителем. Ха-
рактерной особенностью систем с управлением указанного вида
является существование при определенных условиях идеаль-
ного" скользящего режима вдоль линейного многообразия
5 = Х (,х, =0.
Для выполнения условия существования скольжения
S • (dS/dt) < 0 необходимо, чтобы управление включало все
компоненты вектора состояния, что и определяет размерность
пространства скольжения.
Исследованию подобных систем и алгоритмов, называемых в
иностранной литературе термином fuzzy sliding mode, посвящено
достаточно большое число работ [17-23]. В частности, как уже
упоминалось, управление такого вида использовалось при
создании AUV "Odyssey" и "MARIUS'.
Наличие в системе (5.12) ненаблюдаемой координаты лэ
нарушает, вообще говоря, условия скольжения, не исключая,
однако, возможность возникновения режима, подобного сколь-
жению вдоль плоскости переключения S = К,Х| + К3х3 + КАхА = 0.
На рис. 5.5 показан пример процесса стабилизации в системе
(5.12) с релейным управлением, при котором обеспечивается
устойчивость системы "в большом". Конечный участок движе-
ния в плоскости переменных х,, х3 представляет собой сколь-
жение в среднем” вдоль линии переключения.
Поскольку реальные отклонения системы от положения рав-
новесия всегда ограничены, требования устойчивости "в целом"
являются завышенными. При наличии ограничений на управле-
22S
Рис. 5.5. Переходные процессы в релейной системе
ние важнее найти взаимосвязь между выбранными определен-
ным образом параметрами управления и соответствующей им
областью допустимых начальных отклонений. Установление
подобной связи аналитическим путем представляется в общем
случае весьма трудоемкой задачей. Более простым способом
можно получить наглядные численные зависимости, используя
результаты моделирования. В качестве характерного примера в
табл. 5.3 приведены данные для аппарата типа "МТ-88",
позволяющие отметить некоторые достаточно общие свойства,
проявляющиеся при выборе параметров системы с заданными
динамическими требованиями.
Во-первых, необходимо отметить, что область допустимых
начальных отклонений {х,(0)}, соответствующая выбранным
параметрам управления К„ существенно зависит от величины
скорости и и гидродинамического коэффициента . Так, при
т? = 0,45, и =1 м/с во всех трех вариантах выбора параметров К,
область допустимых отклонений достаточно велика, и в обеспе-
чении устойчивости проблем не возникает. В случае т, - 0,6,
D = 1,5 м/с условия устойчивости являются более жесткими, и в
Таблица 5.3. К оценке устойчивости системы стабилизации глуоииы
| т? = 0.6 и? = 0.45
Варианты [ 1 | - | 3 1 | 2 ?
V 4,(0) 25 50 100 и = 1 160 240 170 I '5 1
о о ю 35 ю 135 5 :
I. К, = 1. Ку =-80. = -170 ;2. К, = 1. =-120. К4 =-300. J. ~ К>
-400. ________________________________!
229
первом из вариантов система оказывается нсустопчпвоп при
любых начальных условиях.
Динамика системы при |л,(0)|<|л,(0)| определяется только
совокупностью параметров К,. и ее оптимизация с помощью этих
параметров имеет смысл только при соответствующей
оптимизации начальных условии.
Во-вторых, если при заданных величинах и. т. задана также
область возможных отклонений по глубине, то необходимо
выбрать коэффициенты К, так, чтобы указанная область
принадлежала с запасом по устойчивости области {.г,(0)}. При
изменении скорости и, соответственно, области устойчивости
требуется коррекция параметров управления.
Можно указать простой способ, позволяющий обеспечить
устойчивость движения и требуемую динамику переходных
процессов практически при любых начальных условиях. Для
этой цели можно ввести определенную логику переключения
параметров управления, в соответствии с которой они будут
изменяться скачкообразно, адаптируясь к изменениям других
параметров, как это принято в системах с переменной струк-
турой [16].
Рассмотрим в качестве примера способ переключения
коэффициента усиления К) в зависимости от величины текущего
значения координаты х, (рассогласования по глубине) и скорос-
ти и. Положим:
ГК'|1'и0/'и, если Iх( l=£ d,
/ и, если I х, 1><7,
(5.27)
или Кх - 0,5 и0/ц[(Л^|। + Ki2) + (К), - Kl2)sign(\ х, I - </)], где Кп,
d- произвольные параметры, с помощью которых можно
управлять динамикой процесса, и0 = 1 - номинальное значение
скорости движения. В частности, выбирая коэффициент 7Сц
достаточно малым, можно обеспечить устойчивость во всем
диапазоне изменения параметров, теряя, однако, в быстродейст-
вии. С помощью коэффициента К > ки можно ускорить
процесс после вхождения его в заданную зону, увеличивая при
этом тл точность стабилизации глубины при действии возму-
щении. Величина d служит для обеспечения компромисса между
устойчивостью и быстродействием (точностью).
Рассмотрим для примера простую задачу. Пусть требуется
ся пп'ппАт0ВаТЬ Движение, скорость которого может изменять-
ся по программе, принимая разные значения, например, и = 0,7,
230
Рис. 5.6. Переходные процессы
в линейной системе с фиксиро-
ванными параметрами (__ ) и
с переключением коэффициен-
та К( — )
1,0, 1,5, а максимально воз-
можные отклонения по глу-
бине составляют, скажем,
50 м. При жестком задании
параметров линейного авто-
пилота можно обеспечить
необходимый запас устойчивости во всех случаях, взяв, напри-
мер, в соответствии с табл. 5.3 следующие значения величин-
К, = 1, К3 = -350, К4 = -600.
Качество процессов при этом не будет являться наилучшим,
очевидно, вследствие того, что нельзя обеспечить компромисс во
всех случаях, не изменяя параметров управления. Введем
переключение параметра К,, положив, например, Кц = 1, К,, = 4,
<7= 30 м.
Из иллюстраций, показанных на рис. 5.6, видно, что получен-
ные процессы выигрывают в этом случае и в устойчивости, и в
быстродействии. Можно таким же образом ввести много-
ступенчатое переключение, корректируя величины К, и d, но
это, естественно, усложняет структуру управления и, кроме того,
делает процесс более колебательным.
Перейдем от скачкообразного изменения коэффициента Kt к
алгоритму, позволяющему непрерывно адаптировать его в
течение всего процесса. С этой целью примем
К, = Кю(^1(0)-1-Г| I)UO/U (5.28)
где Х10 следует выбрать так, чтобы при заданном значении Х|(0)
сохранялась устойчивость при всех I х, 1< х, (0).
Характер процесса при "квазилинейном управлении
U = Х10и0 / и[Л! (0)-1 .г, 1]х, + К3х3 + К4х4 (Х29)
показан на рис. 5.7. Очевидно, что в этом случае достаточно
просто удовлетворяется компромисс устойчивости и Р
действия при всех противоречивых условиях, которые
иметь место.
Коррекция управления при о,пРа°откей™Ре-*ен ' динами-
1цений. При синусоидальном входном возде р ошибки
ческие показатели зависят от частоты, причем вел1
231
Рис. 5.7. Стабилизация глубины с квазилииеипым управлением
max I Aj(O - Лр(со) I также пропорциональна частоте. Коэффици-
ент усиления1 К, в этом случае можно задать в виде: К, = К10 +
К1шсо, где /Сю выбирается одним из указанных выше способов, а
к“-’с учетом возможного диапазона частоты воздействия.
При произвольном воздействии Лр(/) коэффициент К,
настраивается на наиболее быструю составляющую.
= К 10 + К lumax \dhpldt I. Предполагается, что величина
max I I известна или может быть оценена на основе
имеющихся данных. Динамика процесса аналогична рассмотрен-
ной выше. Благодаря коррекции параметров обеспечивается
точное воспроизведение амплитуды входного сигнала, но
вследствие инерционности системы в ее реакции на "быстрое"
воздействие имеется запаздывание, максимально проявляющееся
при больших коэффициентах углового демпфирования. Для
частичной компенсации этого эффекта достаточно ввести
"упреждение", несколько ужесточая требования к устойчи-
вости.
Рассмотрим вопросы адаптивной коррекции линейного
управления при обобщенных возмущениях.
Из традиционно используемых на практике методов
адаптивной настройки управления, основанных на принципе
совмещенного синтеза, сравнительно простыми и эффектив-
ными являются методы с эталонными и прогнозирующими
моделями. В указанной постановке задача синтеза адаптивной
настраивающейся системы включает в себя:
• построение модели эталонного движения, удовлетворяю-
щего заданным динамическим требованиям при фиксиро-
ванных параметрах объекта и известных возмущениях;
• построение прогнозируемого движения на основе траек-
торных измерений вектора состояния;
формирование управления, обеспечивающего малость
отклонений прогнозируемого движения от эталонного при
действии обобщенных возмущений.
232
Остановимся на способе введения коррекции линейного
управления, исходя из возможностей численной оценки обоб
щениых возмущении. Примем модель движения в виде системы
(5.12) с возмущениями:
х'~И,1а'1Х1+ь,и + ^ = (5.30)
где параметры а,р Ь: определяются выражениями (5.14), a R, есть
некоторые обобщенные возмущения, включающие в том числе и
ошибки модели.
Модель 'эталонного" движения формируется в виде (5.12) с
управлением, обеспечивающим требуемое качество динамичес-
ких процессов при отсутствии возмущений.
Для оценки прогнозируемого движения x,(t) можно исполь-
зовать вычислительную процедуру, основанную на приближен-
ном численном интегрировании уравнений движения и оценке
осредненных прогнозируемых возмущений Rr Для прогнози-
руемого движения в дискретном представлении будем иметь:
Х,*+. =ХЙ С,Л +т1.Д1/*+1 (5.31)
где постоянные величины С,р т]р зависят от коэффициентов
матрицы atj исходной системы уравнений, параметров линейного
управления К,, £>, и интервала дискретности т, Л;4+1 - оценки
возмущений, получаемые путем линейной экстраполяции
средних значений, полученных по измеренным значениям пара-
метров движения £,:
<!га
Яи+i=2 Я*- А*-,
Для величин Cip т]„ dtj имеют место выражения:
=2^, П =2^-
(2 + та,;. если i = j, (5.33)
J‘> = [тй,,. если 1* Л
Представим управление в дискретном виде.
где перед.» член х.р.^рпзует '
233
, - корректирующее воздействие
возмущений. Определим величину Д1/.+1
с учетом обобщенных
из условия минимума по
ДСы функции:
=X7'M'-2,+i +7«ДС/,’+|'
(5.35)
гпе Y у _ произвольные, вообще говоря, параметры, характе-
ризующие чувствительность коррекции по отношению к
соответствующим величинам, Лг(-л', л„.
Минимизация выражения (5.35) дает:
Д£/1+1 ~ +ХР'^,+1 ’ (536)
где Ц, =-| Т.П, + 2Х VA'
2
£ ТЛ<.- (5-37>
Как следует из приведенного выше анализа, для повышения
точности и быстродействия переходных процессов в системе
стабилизации глубины коэффициент усиления К, выбирается
достаточно большим, а устойчивость обеспечивается с помощью
коэффициентов К3, К4. Вместе с тем это приводит к "расши-
рению” частотной характеристики н, следовательно, к увеличе-
нию интеграла, определяющего дисперсию выходного сигнала
при возмущениях. Указанный эффект проявляется тем сильнее,
чем больше взаимосвязь углового и поступательного движений.
По этой же причине возникают и некоторые особенности в
выборе способа управления, в частности, в использовании
сигнала акселерометра, рассчитанного на погашение колебаний
по глубине.
Создание вертикальной силы Ту, пропорциональной величине
ускорения х2 эквивалентно увеличению массы ту, если
коэффициент усиления достаточно велик. Наряду с этим
нетрудно показать, что введение сигнала К5х2 (К5 < 0) в линей-
ное управление приводит к дестабилизации углового движения, в
особенности, в том случае, когда аппарат обладает собственной
гидродинамической неустойчивостью. Сказанное иллюстрируют
переходные процессы, показанные на рис. 5.8.
234
Рис. 5.8. Примеры переходных процессов в системе стабилизации
глубины
Выбор коэффициентов должен удовлетворять условиям
устойчивости, в частности, необходимо:
+ Kfa43)+(KVK5 + а43) < 0, (5.38)
l-KfKs>0,
где Kf, Км - коэффициенты усиления по упору и моменту
линеаризованного звена fiJJ),
а->} = -—(Л“ - Л). «« = + <)• (5-39)
mv V 7 J:
С учетом (5.38) можно обеспечить устойчивость системы и
приемлемое качество процессов при QcKs<.K~fl, однако, при
этом трудно получить ощутимый выигрыш в компенсации
колебаний по глубине н дифференту, в особенности, на более
низких частотах возмущений. При ограничениях на параметры
У, их варьирование слабо влияет на параметры устано-
вившихся колебаний при действии периодических и случайных
235
Рис. 5.9. Амплитуды установившихся колебаний по глубине
п дифференту при периодических возмущениях
возмущений. Иными словами, условия для компромисса устой-
чивости и точности оказываются близкими для всех рас-
сматриваемых вариантов управления. Для примера на рис. 5.9
приведены сравнительные результаты вычисления амплитуд
колебаний по глубине и дифференту при частотах возмущений
ш = (0,05 - 0,5) с-1 и амплитудой ускорений 0,01 м/с? (1 Гал).
Приведенные на рис. 5.9 данные соответствуют четырем
вариантам выбора параметров управления:
1. ^=5, К3=К, К4=30, К5 = 0, у,=0;
2. К, = 1, К3 = 15, К4=6, К5 = -1, у, =0;
3. К, = 1, = 15, К4=6, К5 = 5, у,=0;
4. К, =1, К3 = 15, КА =6, К5 = 0,
Ъ =80, у2 = 0, Уз = 200, у4 = 0, у„ = 1.
Как показывают результаты вычислений, наибольшие
амплитуды колебаний по глубине и дифференту наблюдаются
при более низких частотах или при больших флуктуационных
ускорениях, что, в принципе, вполне очевидно. Введение коррек-
ции по прогнозируемым возмущениям позволяет уменьшить
колебания в этих случаях на 25-30%,
В целом эффективность рассмотренного способа управления
определяется выбранным критерием коррекции, позволяющим
улучшить в среднем" динамику переходных процессов и точ-
236
Рис. 5.10. Структура системы стабилизации движения с коррекцией
линейного управления
ность при действии относительно медленных возмущений. Из
анализа рассмотренных алгоритмов коррекции следует вывод о
целесообразности построения комбинированного варианта кор-
рекции на основе алгоритмов квазилинейной коррекции (5.29) и
коррекции (5.36), (5.37) по обобщенному критерию (5.35).
Структура системы стабилизации движения в таком варианте
(рис. 5.10) содержит две ветви коррекции - ветвь квазилинейной
коррекции эталонной модели с постоянными параметрами и
ветвь коррекции по прогнозируемому движению с учетом обоб-
щенных возмущений. Использование такого комбинирован-
ного варианта коррекции обеспечивает устойчивое прецизи-
онное движение во всех отмеченных выше неблагоприятных
ситуациях.
5.3. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ
ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ ОБЛАСТЕЙ И ОБЪЕКТОВ
Использование маневренного аппарата для детального об-
следования объектов, осмотра сооружений, сближения и стыков-
ки с причальными устройствами или приводными маяками
предполагает организацию гибкого и высокоточного } правления
с траекториями произвольной конфигурации.
Наряду с обычными режимами движения требуется также
осуществлять более сложные режимы динамического позицио
нирования с переменной скоростью и круговым изменен е.
направления вектора тяги (старт-стопные, реверсивны
237
и Т.п.). К наиболее характерным практическим задачам данного
класса относятся;
• маневрирование в заданной области вблизи цели с пере-
менной скоростью п коррекцией курса, наведение па цель
(источник сигнала), сближение с целью и позиционирование
в точке;
• поиск и обследование протяженных объектов:
• ориентирование на местности с использованием информа-
ции системы технического зрения.
Во многих случаях указанные задачи взаимосвязаны и могут
соответствовать различным этапам при выполнении той или
иной миссии аппарата. Поэтому в дальнейшем будем рассматри-
вать их как составляющие одного общего сценария при выполне-
нии достаточно сложных работ.
В соответствии с общей постановкой задачи обследование
области осуществляется с помощью кусочно-постоянной про-
граммы скорости курса при маневрировании в окрестности цели
(объекта) и старт-стопного режима управления при динами-
ческом позиционировании в точке или вдоль контура.
Область движения определяется одним из следующих
способов:
а) координатами {Хц, ZJ целевой точки, радиусом окрест-
ности Гц и расстоянием до цели dv
б) расстоянием dH до источника сигнала (маяка) и пелен-
гом 0м;
в) произвольным замкнутым контуром g(X, Z) = 0, относи-
тельно которого определяются смещения аппарата d, в
направлениях, связанных с корпусом аппарата;
г) линейной полосой I аХ + b Z + с I < Д/ шириной Д/ от-
носительно протяженного объекта и относительными
линейными {ДХ(, д/() и угловыми Д<р( перемещениями
аппарата.
В первых двух случаях требуется при постоянно действую-
щем течении обеспечить убывание "в среднем” величины dM, в
двух других - отслеживание протяженной линии с ориентиро-
ванием относительно нее.
Рассмотрим ряд возможных вариантов управления, отличаю-
щихся логикой программного алгоритма и динамикой системы
при осуществлении достаточно сложных пространственных
Обозначим Л, - радиус области, в которой осуществляется
"”НИе “а ЦеЛЬ’ радиус области маневрирования, R-
р ние от аппарата до цели. Логически вытекает следующий
23В
режим сближения аппарата с иелкю п™ .
течения: целью при наличии постоянного
• движение по пеленгу (азимуту) пепи - ,
скоростью при R > Rlt данной постоянной
• уменьшение скорости при вхождении в область Rn<R<R и
выполнение поворотов <о в mm». "о-льм
Р % в сторону, соответствующую
знаку (или величине) пеленга:
sign <р„ = sign[<p - arctg(Z - Z„)/(X - Хц)],
• стабилизация положения при R <R0
Траекторию движения (X(f), Z(r)} при действии течения
можно приближенно (без учета переходных процессов) пред-
ставить состоящей из сопряженных между собой кривых вида:
(X-XJ2+(Z-ZJ2 =
= Я2 +в2Дг2 ± 2Ra(vTr cos<р + vTy sin<р) Дг4
(5.40)
где Xk = Xl:_l + Ra cos(Pj..,, Z*., ± Ra coscp*.,, Ra - радиус цир-
куляции аппарата при движении с постоянной скоростью, Art-
интервалы движения с постоянными направлениями по-
воротов.
Вследствие дрейфа траектории будут наблюдаться характер-
ные петлевые и спиральные движения со сменой направлений
вращения, при этом обеспечивается устойчивое маневрирование
в окрестности точки цели. Легко показать, что траектория
движения в целом не выходит из круга радиусом 2R0 с центром в
заданной точке.
При движении в заданной малой области логика программ-
ного алгоритма формирует режим изменения скорости, курсо-
вые углы и направления поворотов:
Гфк ПрИ <Г]ЗД,
<₽*+| " [ф* + ДФ* s*Sn£* ПРИ >
et = Ф* -arctg(Zt -Z3aJ1)/(XI
На заключительном этапе траекторного обследования
области решается задача сближения с целью и позицношр
НИЯ R TnQVP
При известном относительном положении ап"аРата “
управление обеспечивает сближение с целью и 0ГпанИ-
вание вблизи нее на основе линейного автош
(5.41)
239
чениямп на величину управляющих воздействий:
[/( =К1ДХ + К2Х+^з/ &Xdt’ U. = Kt6Z + K2Z + bZdt,
'о
Т j = ил cos ф + I/. sin ф, Т., = -I/, sin ф + U. cos ф,
(Г.1+Г4),/2 <Ттм- (5.42)
Аналогичный вариант управления может быть принят п в
том случае, когда выполняется движение на приводной гидро-
акустический маяк и для сближения с ним используются дискрет-
ные измерения дистанции R и пеленга 0. При этом задача заклю-
чается в том, чтобы обеспечить убывание в среднем величины
</ы, удержание в точке dM = 0 и угловую ориентацию аппарата по
пеленгу цели.
Точность приведения на ГА-маяк ограничена вследствие дис-
кретности сигнала и ошибок в измерении дистанции и пеленга.
В том случае, когда требуется обеспечить высокую точность
сближения и стыковки аппарата с объектом, представляется
наиболее эффективным использование комплекса, содержащего
гидроакустическую и электромагнитную системы приведения.
Дальность действия системы электромагнитного приведения
сравнительно невелика вследствие быстрого затухания сигналов
в морской воде. Особенность системы заключается в том, что с
помощью размещенных на аппарате приемных антенн можно
сформировать сигнал, пропорциональный синусу угла отклоне-
ния продольной оси аппарата от касательной к силовой линии
поля. Фактически указанный угол числено равен соотношению
составляющих градиента напряженности (или вектора напряжен-
ности) электромагнитного поля на направления приемных ан-
тенн. Управление курсом аппарата сводится к отслеживанию си-
ловой линии, а управление скоростью - к созданию упора, обрат-
но пропорционального величине напряженности. Точность, дос-
тигаемая с помощью системы приведения, достаточна для ста-
билизации аппарата в точке и осуществления стыковки с
объектом.
Организация движения при поиске
и обследовании протяженных объектов
Особенность задачи заключается в организации процедуры
поиска протяженной линии по сигналам системы обнаружения и
формировании необходимых данных для последующего ее от-
240
слеживания п заданной полосе обследования [24- 251 Известии
практические подходы „ля решения подобной задачи с исполь
зованисм эхолокационных, магнитометрических и видеосистем
’2Г HH’UR Г avHb‘e РСШеНИЯ’ пРимененные в AUV
AL-2 , ХГ-2/ , R-1 . Управление движением формируется
путем выработки генерального направления и его коррекции по
контакту с объектом. В нечетких ситуациях осуществляются
поисковые движения в ограниченной области
Положение протяженного объекта может быть представлено
одним из следующих способов:
а) координатами точек (X, Z,}, определенными с ошиб-
кои А,
б) областью в виде линейной "полосы" laX+bZ + ci < А, ши-
риной А,, соответствующей чувствительности средств об-
наружения,
в) некоторой областью Q и углом относительной ориентации
Фа
При обнаружении объекта определяются линейные [ДХ(,
AZt] « Ad, и угловые Дф( перемещения аппарата относительно
протяженной линии.
Необходимо организовать управление движением аппарата
таким образом, чтобы при наличии навигационных и динами-
ческих ошибок траектория движения удовлетворяла "в среднем"
условиям: фср = ф1, Ad, s Д(.
Если местоположение протяженного объекта (ПО) опреде-
лено Предварительно с точностью, достаточной для выхода
аппарата в точку установления контакта с объектом с помощью
средств обнаружения, то в миссию аппарата включаются
следующие процедуры:
• выход в точку и поиск контакта с объектом;
• маневрирование вблизи объекта и определение ориентации
протяженной линии;
• отслеживание протяженной линии в заданной полосе .
соответствующей области устойчивого контакта,
• возвращение к поисковой программе при эпизодическо
потере контакта с объектом.
В состав системы обнаружения могут входить различные
устройства, позволяющие найти объект по сигналам олижне о
действия и идентифицировать его на фоне ложных сш-налов.
решения этой задачи в состав системы технического Р
(СТЗ) должны входить высокоразрешающие обзорные эхол
торы, видеосистема (ТВС) и средства магнитометр»
электромагнитного обнаружения.
|(> Автономные
241
При поиске аппарат может совершать круговые и сканирую-
щие движения в заданной области с целью "захватить" контакт.
При получении первичного контакта аппарат удерживает поло-
жение в котором контакт устойчиво сохраняется. Для этого мо-
гут использоваться как сигналы электромагнитной системы об-
наружения, так и дополнительно видеоданные, полученные с
помощью ТВС. Для уточнения направления протяженности
объекта аппарат должен совершать поисковые поступательно-
круговые движения "змейкой" с малым радиусом поворотов при
получении или потере контакта. При этом определяются
линейные Д</ и угловые Аср перемещения аппарата относительно
протяженной линии. На основе полученных данных может быть
сформирован генеральный курс срл, которым должен следовать
аппарат, чтобы удерживаться в "коридоре" Д устойчивого кон-
такта. Управление движением организуется таким образом, что-
бы при наличии навигационных и динамических ошибок траек-
тория движения удовлетворяла "в среднем" условиям: <рср = <рл,
Д</< Д.
Для иллюстрации высказанных выше общих положений
рассмотрим практические примеры управления движением при
обнаружении и отслеживании протяженного отрезка кабеля с
использованием системы технического зрения, содержащей
телевизионную систему и систему электромагнитного обнаруже-
ния (ЭМС). В формировании управления участвуют следующие
основные параметры ТВС и ЭМС: срэад, <ра - заданный и текущий
курсовые углы аппарата; Дсрпо — ориентация протяженного
объекта в системе координат, связанной с камерой (рис. 5.11а);
сЦад- заданный угол вектора тяги АНПА в горизонтальной
плоскости, определяющий соотношение продольного Тх и по-
перечного Tz упоров движителей; rfno - смещение ПО в системе
координат, связанной с камерой; —- скорость перемещения
ПО в поле зрения камеры ТВС, рассчитанная по двум соседним
кадрам, снятым через интервал времени Дц Кр, Kd - коэффи-
циенты усиления для позиционной и дифференциальной состав-
ляющих; рэад - заданная скорость аппарата; Дйаад, fTBC) - функция
зависимости заданной скорости от заданной высоты движения
«зал и времени обработки кадра гтвс в ТВС; ^-коэффициент
пропорциональности. Так, для высоты движения
Ж^твс) = »^Ц
fTBC
двух соседних кадров (из
1,5 м
где К„ - коэффициент перекрытия
диапазона 0-ь 1), Д(рэмс- ориентация
242
Направление на нос
Направление на нос
Рис. 5.11. Системы координат для отображения данных ТВС (а) и ЭМС
ПО в системе координат, используемой ЭМС (рис. 5.116)
Фзад Фа+Дфпо-
90 sign(Дсрпо) при отслеживании ПО по ТВС,
60 sign(Acpno) при управлении "змейкой" по ТВС,
40 sign(Acp3MC) при управлении "змейкой" по ЭМС;
а
зад
0 при управлении "змейкой" по ТВС,
Acpnojan К dno + Kd j при отслеживании ПО по ТВС,
\ Дг )
0 при управлении "змейкой" по ЭМС;
"зад
/(^зэд, fTBc) при управлении "змейкой" по ТВС,
fcT3) + ^sin(a3al) I при отслеживании ПО по ТВС,
/(Л^д, гэмс) при управлении "змейкой" по ЭМС.
Условием перехода в режим отслеживания ПО может слу-
жить выдача сигнала устойчивого контакта, а также получение
команды по каналу связи в случае, когда используется режим
телеуправления. При движении генеральным курсом с коррек-
цией по контакту высота над грунтом должна соответствовать
области максимальной чувствительности датчиков. Управляе-
243
мость аппарата должна быть достаточной, чтобы удерживать ап-
парат в данном коридоре при заданной скорости движения. При
необходимости (в случае появления регулярных сбоев сигнала)
скорость уменьшается, и обеспечивается (с помощью СТЗ)
уточнение'позиционных и угловых данных для отслеживания.
В крейсерском движении СТЗ работает в режиме накапливания
информации. При возникновении систематических сбоев кон-
такта программа отслеживания прерывается и осуществляется
повторный поиск контакта на локальном протяженном участке.
При возобновлении контакта аппарат продолжает прерванную
программу. В противном случае, когда объект не обнаружи-
вается на большом протяжении, а также по завершению всей
программы выдается команда возврата домой.
Особенность работы системы технического зрения в режиме
слежения состоит в том, что информация, позволяющая выде-
лить и поддерживать контакт с ПО, существенно зависит от ха-
рактера движения аппарата, микрорельефа дна, градиентов
освещенности, наличия ложных целей, чувствительности и
рабочего диапазона измерителей, а также ряда других внешних
факторов.
Реальные примеры осуществления траекторий движения при
поиске и отслеживании протяженных объектов на основе зри-
тельной информации и сигналов ЭМС приведены в гл. 2.
5.4. ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ
НАВИГАЦИОННОЙ КОРРЕКЦИИ ПРИ
ОСУЩЕСТВЛЕНИИ ДЛИТЕЛЬНЫХ МИССИЙ АНПА
В большинстве случаев при длительной работе аппарата тре-
буется высокая точность определения координат самого аппа-
рата, навигационных ориентиров и целей. Как правило, в струк-
туре современных АНПА используются навигационные комп-
лексы, включающие бортовые автономные, гидроакустические
и спутниковые системы навигации. В достаточно полной кон-
фигурации структура такого комплекса представлена на
рис. .12, а характеристики входящих в его состав реальных сис-
тем и устройств приведены в табл. 5.7, 5.8.
Приведенные в табл. 5.7 данные получены в процессе натур-
ных морских испытаний навигационной системы при движении
аппарата МТ-98" по маршрутам длительностью от двух до пяти
асов. 1 римеры реальных траекторий движения аппарата, соот-
етствующих различным вариантам комплексирования и кор-
рекции координат, приведены на рис. 5.13.
244
Рис. 5.12. Схема бортового навигационного комплекса
Оценим суммарную навигационную погрешность при работе
АНПА на протяженном маршруте. Обычно при оценке точ-
ности навигации считается, что область выполнения конкретных
миссий аппарата ограничена, вертикальная координата (глубина)
измеряется достаточно точно, и поэтому рассматриваются лишь
оценки для горизонтальной плоскости. Рассмотрим конкретную
оценку точности навигации, связанную с выходом аппарата в за-
данный удаленный район. Сценарий движения аппарата может
формироваться из нескольких частей, включающих обсервацию
по СНС (GPS) перед погружением аппарата в заданном районе,
погружение на заданную глубину, движение вблизи дна к точке
цели. Суммарная среднеквадратичная ошибка определения
координат о на всем маршруте составит:
° = [°см + (ОЛН/sin у)2 + (осР/и)2 +(Яит / и„)‘] ,
где oaps- ошибка спутниковой навигации, составляющая 5-10 м
при времени наблюдения несколько минут в зависимости от
метеоусловий, о„ - часовая ошибка счисления координат на
участке погружения, складывающаяся из ошибки измерения ско-
245
♦ координаш поданным ГАНС
— координаты ио данным СС’П
—• координаты ио данным КНС
Рис. 5.13. Примеры траекторий движения АНПА
при различных вариантах комплекснровання нави-
гационной информации
а), б) ИНС + ДЛ, ГК + ИЛ, ГК + ДЛ; в) ГК(МК) +
+ ИЛ + ГАНС-ДБ
Таблица 5.7. Функциональные особенности систем iiuniirnmioimoi о
комплекса
Системы и устройства | Режимы. ограничения, особенное! и работы
ИНС Требуется периодическая выставка в азимут и го- ризонт и регулярная коррекция скорости от внеш- него источника. При работе без коррекции исполь- зуется как курсоуказатель.
ДЛ Диапазон высот от грунта 3-50 м, скорость на пря- молинейных галсах при калибровочных измерениях выше 0,2 м/с. Данные усредняются с периодом 10-30 с.
Относительный лаг Устойчиво работает при скорости набегающего потока более 0,4 м/с.
Индукционный компас Вводится девиационная поправка и производится коррекция от ГК для устранения ошибок от внеш- них аномалии.
Приемоответчик ГАНС Требуется развертывание системы маяков-ответ- чиков, имеющих дальность действия 12-15 км в зависимости от гидрологии.
Таблица 5.8. Навигационные ошибки для различных сочетаний
измерителей при комплекснроваиии
Навигационные измерители Ошибки счисления координат относительно даииых ГАНС и GPS (примеры траекторий движения на рис. 5.13)
ИНС без коррекции от внешних 1200 м за первый час работы
источников
ИНС + коррекция от ДЛ Средняя за 6 пусков общей длитель- ностью более 14 час. - 61 м/час
Гирокомпас + относительный лаг Средняя за 4 пуска общей длитель- ностью более 11 чвс. - 86 м/час
Гирокомпас + ДЛ Средняя зв 4 пускв общей длитель- ностью 10 час. — 28,5 м/час
Индукционный компас + относи- тельный лаг Средняя за 4 пуска общей длитель- ностью 6 час. -114 м/час
Индукционный компас + доплеров- ский лаг Средняя зв 4 пуска общей длитель- ностью 6 часов - 66 м/час
248
росги аппарата с помощью относитАпсил
рения курса и ошибки оценки скорости течения?
ошибка счисления координат ппи urnnm, „ псовая
импла! “ри использовании доплеповгкпгг.
лага (совместно с магнитным ипи доплеровского
курса), Я - глубина погружения (в ме?рах™в™ч)^скорость
погружения, у - дифферент при погружении, - средняя ско-
рость течения при погружении, D - длина маршрута на участке
движения вблизи дна со средней скоростью ц. участке
Расчетные оценки, которые можно получить с использо-
ванием данных таблицы 5.8, показывают, что ошибки при боль-
шой глубине погружения (до 6000 м) и больших дальностях хода
(порядка нескольких десятков километров) могут достигать
значительных величин (порядка сотен метров). При работе аппа-
рата в мелководном районе данные ошибки могут быть значи-
тельно уменьшены благодаря возможности проводить коррек-
цию с помощью GPS. Аналогичную коррекцию возможно про-
водить в принципе и в том случае, если аппарат совершает дви-
жение вблизи поверхности и осуществляет всплытие при накоп-
лении большой ошибки. При работе аппарата в ограниченном
районе или в режиме сопровождения обеспечивающего судна для
коррекции автономных координат можно использовать
гидроакустический канал связи, позволяющий передавать с
аппарата данные телеметрии и обратно команды телеуправ-
ления.
Альтернативный вариант комплексирования БАНС и ГАНС
заключается в совместной обработке информации этих систем и
введении коррекции в систему счисления координат на основе
данных акустической дальнометрии.
Задача комплексирования и коррекции состоит в устранении
больших начальных ошибок счисления текущих координат и
оценке вектора течения, для чего на каждом шаге навигацион-
ных вычислений используются данные комплексируемых систем
[5; 6]. Рассмотрим некоторые вопросы совместной обработки
информации автономной и дальномерной гидроакустической
систем, касаясь в основном структуры систем и особенностей
формирования навигационных данных.
Комплексирование информации БАНС и ГАНС-ДБ
При работе аппарата в ограниченной области для' навига-
ционных оценок допустимо рассматривать лишь д®
ризонтальной плоскости относительно локально „
динат (X, У), связанной с донными приемоответчпк
249
БАНС сводится к получению по данным компаса п лага проек-
ций скорости на координатные осп и их питсгрпроваипю. Т'.слн
используется относительный лаг, то при счпслеиии учптыпа.отся
имеющиеся данные о течении (V7v VTv). Функционирование си-
стемы может быть описано следующими соотношениями:
X. = X(/O) + J(wsin(p + Vri)rf'c,
'о
Yc = У(г0) + Jcvcoscp + VjJdT,
'о
(5.43)
где Хс, ¥е- координаты, счисленные с помощью БАНС; Х(г0),
У(г0) - начальные координаты, вводимые перед пуском; V, ср,
оценки значений скорости, курса и составляющих вектора
течения.
Оценки дальностей </,•(( = 1...И) от аппарата до приемоот-
ветчиков с координатами (Х„ У,) и оценки координат аппарата
(Хг, Уг), которые могут быть получены с помощью ГАНС, свя-
заны уравнениями:
(Хг-X,)2 +(УГ - Y;)2 = d;, i = (5.44)
Минимальное число уравнений и, следовательно, приемо-
ответчиков, необходимое для решения задачи, - два. При этом
требуется исключить неоднозначность, что обычно не вызывает
особых затруднений. При трех и большем числе приемоотвег-
чиков система уравнений оказывается избыточной, что позво-
ляет более точно найти решение, используя линейную поста-
новку [2].
Оценки координат аппарата (Хс, Ус), определенные автоном-
ной системой, и оценки координат (Хг, Уг), полученные ГАНС,
используются комплексированной навигационной системой
(КНС) для улучшения результирующих оценок координат (X, У).
Коррекция координат в КНС осуществляется циклически с ин-
тервалом обновления данных, равным периоду гидроакустичес-
ких посылок (откликов).
На рис. 5.14 представлена структурно-функциональная схема
комплексированной системы, реализованной в виде вычисли-
тельной модели, в которой использованы приведенные выше
реальные навигационные данные работы БАНС и ГАНС.
Алгоритм КНС содержит следующие программные блоки:
• счисление координат на основе данных от навигационно-пи-
лотажных датчиков;
250
Рис. 5.14. Схема коррекции координат в КНС
• селектирование откликов от гидроакустических приемо-
ответчиков;
• вычисление "гидроакустических" координат на основе даль-
номерной информации;
• коррекция координат и оценка скорости течения.
Входными параметрами системы счисления являются курс от
гироскопического или магнитного компасов, дифферент, относи-
тельная или абсолютная скорости, предварительная оценка сос-
тавляющих скорости течения (при использовании относитель-
ного лага). Выходными параметрами являются пройденный за
цикл путь dx dy и координаты Ха Yc.
Процесс селектирования сигналов от приемоотвегчиков
ГАНС обеспечивает фильтрацию ложных сигналов, вызванных
многолучевостью, и формирование дистанций r.t для последую-
щей процедуры вычисления координат (Хг, Уг)- Селектирование
сигналов производится с учетом "предыстории", т.е. накопленной
За предыдущие циклы дальномерной информации. Преиму-
щество алгоритма селектирования сигналов на борту АНПА по
сравнению с аналогичной процедурой на борту обеспечиваю-
щего судна заключается в том, что на АНПА используется ин-
формация о текущих счисленных координатах аппарата, на осно-
ве которой вычисляются ожидаемые времена откликов г,*, гдеА-
это номер шага, /=(1-3)- номер МО. На основе измеренных
дистанций r,k вычисляются координаты (Хр> Уг)-
251
Для коррекции координат формируется итерационный цикл:
Хгд + | = * +(ХГ*_| -
К-*+| = Yc, +(}м-|->и-1)-
«Л.жМ =иЛ.ш+0С(Х1>'-' ’ (5'45)
иЛл,+) = Vyy.», + а(7г.т-1 - ’
где т- период посылки ГАНС, а - параметр коррекции, к - шаг
коррекции координат, вычисленных по данным БАНС, >п - ко-
личество посылок ГАНС в цикле коррекции вектора течения.
Оценки составляющих скорости течения Vy, исполь-
зуются при вычислении координат Ха Ус в периоды между цикла-
ми коррекции.
На рис. 5.13в приведена траектория движения АНПА, полу-
ченная с помощью описанного алгоритма коррекции счисленных
координат с использованием данных акустической дальномет-
рии. Для сравнения показаны также счисленная траектория без
коррекции координат и реальная траектория, построенная по
отсчетам ГАНС.
Неустойчивая работа ГАНС на некоторых участках траекто-
рии связана с экстремальными условиями проведения экспери-
мента - мелкое море, значительные удаления АНПА от приемо-
отвегчиков ГАНС. О точности работы системы в процессе
5-часовой миссии аппарата можно судить по данным GPS, полу-
ченным в конце миссии.
Ошибка определения координат системой счисления без
коррекции возрастает во времени и при завершении программы
составляет 377 м. Погрешность определения координат по дан-
ным КНС к концу миссии составляет 36 м, что соответствует
примерно 0,3% от пройденного пути.
Описанный алгоритм коррекции работоспособен при нали-
чии гидроакустической связи не менее, чем с двумя приемоотвег-
чиками ГАНС. При работе с одним приемоотвегчиком тре-
буются навигационные вычисления, которые включают элемен-
ты интерактивного" характера, иначе говоря, система управле-
ния АНПА должна обеспечивать выполнение специально орга-
низованных траекторий по запросу навигационной системы.
В рассмотренном алгоритме задача решается путем сравне-
ния координат, определенных двумя различными способами.
Возможен другой вариант навигационной коррекции, основан-
ный на комплексировании данных БАНС и дальномерной ин-
формации ГАНС без прямого вычисления координат (Хг, »)
252
Суть этого варианта заключается п
координат на основе серий траектопных РрекЦ1™ автономных
аппарата до приемоотвегчиков и реккурентХо^поп^™4"*
счисленной точки (X., У ) к "гиппплтм, 0 подтягивания
ветствующей центру тяжести многоугольникаКпогрешГностей°для
дальномерной задачи. F шнисзеидля
пооцХьГ 3аДаЧИ С0ДерЖИТ ДВе основные вычислительные
процедуры.
• оценивание начальных условий для системы счисления
координат и вектора течения;
• оценивание координат с использованием алгоритма пози-
ционной коррекции.
По серии траекторных измерений rr,(/t) с дискретом Т
гидроакустических посылок производится аппроксимация квад-
ратов величин /;((4) = ^(0) + —временной квадратической
зависимостью, параметры которой связаны с искомыми
величинами Х(0), У(0), vTy простыми алгебраическими
соотношениями. В зависимости от числа маяков-ответчиков (от
одного до трех) возможны различные варианты аналитического
решения задачи, требующие выполнения определенных условий
для программных движений в радиусе действия маяков [6; 7].
Коррекция положения осуществляется путем обновления
данных оценивания в итерационном процессе счисленных коор-
динат. Алгоритм коррекции достаточно универсален в отноше-
нии возможных навигационных ситуаций и процедуры вычисле-
ний, но обладает большой ошибкой при значительных удалениях
от маяков. Указанный недостаток устраняется введением пози-
ционной коррекции координат по пеленгам приемоотвегчиков.
Алгоритм коррекции формируется в зависимости от направ-
лений от аппарата на приемоотвегчики и разностей счисленных
и измеренных дистанций. Соответствующие уравнения пози-
ционной коррекции имеют вид:
X(zJ = X(^_1) + ^4+A(fJ’
Л = к£соьесАг,. fy =K^sinGc,^r„
где GCI - счисленные пеленги, Дг, = ra - г г, % ~ параметр
коррекции, п - число приемоотвегчиков. «лп,1Пррся
Итерационная процедура коррекции (5. ) Д /числеш1ой
решение при одинаковом расположении реально
(5.46)
253
Рис. 5.15. Процесс коррекции в комбинированном варианте
1 - коррекция по одному маяку с координатами (0,0); 2 - коррекция по
двум маякам с координатами (0,0), (4096,0)
точек относительно любой из линий баз приемоответчиков.
В установившемся режиме средние выборочные значения fx(j),
fy(J) достаточно точно аппроксимируют величины AvTx = vTx - vTx,
&vTy = vTy - vTy при увеличении объема выборки j. Одновременно
обеспечивается сглаживание и динамическая фильтрация итера-
ционного процесса при наличии случайных ошибок и эпизоди-
ческих сбоев в гидроакустическом канале.
Целесообразно использовать комбинированный вариант
коррекции, учитывающий особенности приведенных алгорит-
мов. Пример работы такого алгоритма показан на рис. 5.15.
Приведенный пример относится к тому случаю, когда на-
чальная позиционная ошибка велика (порядка 1000 м), а вектор
течения составляет = 0,2 м/с, \>Гу= 0,1 м/с при скорости ап-
парата ц = 1 м/с. В исходном положении аппарат находится в
зоне слышимости одного маяка при интервале посылок t - 16 с.
В этой неблагоприятной ситуации аппарат выполняет вначале
траекторию, для которой вычисляются необходимые параметры
коррекции. Затем аппарат переходит в зону действия двух мая-
ков, и в дальнейшем производится позиционная коррекция по
пеленгам, позволяющая удерживать высокую точность опреде-
ления координат в течение всего движения.
254
5.5. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ВБЛИЗИ ДНА
Использование АНПА пля ofiinnc ,,
дна, для гидрофизических исследований в п^идонно'ГслоТ^я
обследования объектов, находящихся на дне"связано ор7а
низациеи движения по эквидистанте от дна и обходом или о и-
банием препятствий. Для обнаружения препятствий и опреде-
ления дистанции до дна в переднем секторе обзора используется
многоканальная эхолокационная система высокого разрешения
Управление движением по эквидистанте предполагает, вообще
говоря, формирование некоторой модели эквидистанты на ос-
нове эхолокационной информации и данных об относительных
перемещениях аппарата. В таком случае управление можно
организовать в виде корректируемой программы, прогнозирую-
щей пространственную эквидистантную траекторию и ориенти-
рующей аппарат вдоль нее. В плоском случае задача упрощается
и сводится к стабилизации позиционных и угловых рассогласо-
ваний, сформированных с помощью нескольких дальномеров.
Подобный способ управления был реализован в различных
модификациях в большинстве аппаратов ИПМТ ДВО РАН, а для
определения дистанций использовалась многоканальная эхо-
локационная система (5-7 высокочастотных эхолокаторов),
дальномеры которой ориентированы в переднем секторе обзора
под разными углами к продольной оси аппарата (вперед, вниз,
вбок, вверх) для определения соответствующих дистанций до
препятствий [10; 27; 28]. Выбор трассы пространственного дви-
жения при сложном рельефе дна предполагает активное манев-
рирование аппарата среди препятствий.
В аналогичных примерах, характерных для управления дви-
жением мобильных роботов, задача прокладки трассы при
неполной информации о местности заключается в достижении
целевой точки при наличии препятствий лабиринтного типа [8,
9]. Движение планируется путем назначения подцелей, соответ-
ствующих видимым участкам рельефа. При этом на каждом
шаге производится сканирование рельефа, разрешается протп
воречие между двумя управляющими факторами - продвиже
нием к цели и обеспечением более благоприятных условии для
обзора местности - и выполняется жесткое планирование про
тяженных участков трассы. Применимость подооного по -
да к управлению движением АНПА оказывается iпр
матичной из-за сложности построения систем Рппъема
информации о рельефе н, соответственно, оольшог
вычислений [10].
255
Во многих случаях при сравнительно несложном рельефе дна
функции горизонтального н вертикального каналов управления
могут быть разделены. При этом горизонтальный канал осу-
ществляет курсовую коррекцию движения к цели, маневри-
рование при обходе препятствий и возвращение к исходной
курсовой программе. Задача вертикального канала состоит в
отслеживании эквидистанты и выполнении маневра с упрежде-
нием по безопасному огибанию препятствий. Такой подход ис-
пользован в системах управления большинства обзорно-поиско-
вых и исследовательских аппаратов.
При построении алгоритма управления показания эхолока-
торов используются для аппроксимации видимой части поверх-
ности рельефа участками плоскостей. Каждому участку поверх-
ности ставятся в соответствие геометрические параметры в сис-
теме координат, связанной с корпусом аппарата. Вся траектория
представляется в виде отрезков, каждый из которых миними-
зирует длину эквидистанты по отношению к сопряженным плос-
ким элементам в текущей точке траектории.
В случае движения в горизонтальной плоскости препятствия
представляются в виде границ, образующих запрещенные зоны
для движения. Движение осуществляется в заданном направ-
лении с уклонением от встречающихся препятствий в сторону
наименьшего рассогласования. Такое маневрирование реали-
зуется с помощью совместного использования режимов поступа-
тельного движения и зависания. Алгоритм работы заключается в
следующем:
• при отсутствии препятствий аппарат выполняет программу
в обычном режиме;
• если дистанция до препятствия по переднему локатору
меньше установленного порога, то аппарат переходит к
режиму зависания со стабилизацией дистанции по одному
из боковых локаторов. При этом выбирается локатор,
показывающий меньшую дистанцию;
• движение с обходом препятствия продолжается до тех пор,
пока курс не совпадет с заданным, а передний локатор не
будет выделять препятствий.
На рис. 5.16 показан результат моделирования данного алго-
ритма. аг сетки составляет 10 м, а заданное расстояние ста-
билизации -5 м.
В общем случае пространственный характер движения обус-
ловливает специфику алгоритма прокладки трассы, определяя,
омимо требования достижения целевой точки, ряд требований,
которым должна удовлетворять форма траектории. В частности.
256
траектория должна иметь минимальную длину среди других
возможных, и во многих случаях она должна представлять собой
эквидистанту по отношению к рельефу дна, т.е. должна
воспроизводить профиль рельефа вдоль по трассе движения. Вы-
полнение такого типа траекторий требует от АНПА одновре-
менного маневра в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
В подобных задачах, как уже говорилось, обычно исполь-
зуется жесткое планирование протяженных участков траек-
тории, осуществляемое после сканирования рельефа измеряю-
щей системой и анализа полученной информации. В качестве
альтернативного в работе [10] рассматривался алгоритм, в кото-
ром на каждом цикле управления траектория просчитывается
только на один шаг вперед, что позволяет использовать от-
носительно простую процедуру вычислений с коротким циклом
управления. Поскольку данный подход не предполагает скани-
рование поверхности, это приводит к более простой задаче по
аппроксимации рельефа плоскостями с параметрами, вычис-
ленными по данным локаторов.
Характерные свойства системы управления движением
АНПА вблизи дна со сложным рельефом можно рассмотреть на
примере задачи обследования подводных гор, что связано с про-
ведением геологоразведки и оценкой запасов минерального
сырья (например, запасов железомарганцевых корок) на наклон-
ных участках подводных гор - гайотов [12-15]. Представляется
возможным производить съемку по горизонтальным или ради-
альным разрезам. Для построения сети горизонтальных разрезов
требуется обеспечить движение по изобатам. Это дает некото-
11 Автономные
257
пые преимущества в отношении управляемости аппарата.
Съемка по радиальным разрезам требует выполнения более
сложных маневров. При этом съемку целесообразно произ-
водить в два прохода. На первом проходе осуществляе тся ГБО-
съемка на расстоянии от поверхности порядка 30-50 м. второй
проход с фото- или ТВ-съемкой становится более трудным из-за
необходимости приближения к поверхности до 3-5 м.
Отметим некоторые особенности АНПА, способного рабо-
тать в условиях сложного рельефа. Очевидно, что для органи-
зации движения необходимо использовать всю доступную ин-
формацию об изменчивости рельефа по планируемому маршру-
ту, что в принципе возможно при наличии многолучевых эхоло-
каторов. В этом случае повышаются требования к бортовой
навигационной системе для того, чтобы обеспечивать привязку
фактического положения аппарата к данным батиметрической
съемки. Потенциальная возможность навигации по карте вряд ли
может быть реализована из-за малой разрешающей способ-
ности батиметрии. В то же время сверка с картой, во-первых,
будет давать дополнительную информацию о положении аппа-
рата и, во-вторых, что особенно важно, информацию о воз-
можных препятствиях, например, уступах, террасах, крупных
щелях и пр.
Бортовая навигационная система должна быть комплексиро-
ванной и использовать данные ГАНС, гирокомпаса и доплеров-
ского лага. Управление аппаратом должно осуществляться по
точкам заданной траектории. Для прохождения препятствий,
особенно таких, как щели и высокие уступы, необходимо усовер-
шенствование существующих в настоящее время многолучевых
эхолокационных систем (ЭЛС). Сравнительно простое решение
задачи может быть получено путем увеличения каналов много-
элементной ЭЛС и увеличения дальности действия эхолокаторов
при их достаточно высоком разрешении. Распределение
направлений лучей может быть круговым или крестообразным,
что позволит выявлять конфигурацию препятствия. Наряду с
этим целесообразно иметь программы сканирования корпусом
аппарата в режиме зависания.
Упомянутые выше программы управления аппаратом при
о ходе препятствий рассчитаны на преодоление сравнительно
плавных и не очень крупных форм рельефа. Преодоление кру-
тых склонов требует применения движительной системы, обес-
печивающей произвольные режимы движения (движение в
широком диапазоне скоростей, зависание, движение с произ-
вольным дифферентом). Для создания управляющих сил н мо-
258
:ZZ6XOnHM° ИМеТЬ ДВе ДВИЖИТеЛЬНЫе с-<ии: кормовую
Преодоление аппаратом крутого склона требует использо-
вания вертикального движителя, с помощью которого возможно
осуществить вертикальное или наклонное движение с произ”
вольно заданным углом дифферента. Это, разумеется, связано с
дополнительным расходом энергии. Если требуется фото- и ТВ
съемка поверхности крутого склона, то движение должно
происходить с максимальными углами дифферента, что позво-
лит выполнить хотя бы наклонную съемку склона. При таком
движении управляющими переменными являются: глубина, курс,
заданный дифферент и заданное расстояние до склона, оцени-
ваемое ЭЛС.
Подход аппарата к высокому препятствию обнаруживается
по переднему локатору ЭЛС. Аппарат должен сбавить ход так,
чтобы перейти в режим зависания иа заданном расстоянии до
препятствия. С помощью ЭЛС и поворотов аппарата препятствие
сканируется. По полученным данным должны быть определены
тип препятствия и его размеры. Программа управления "по
ситуации" должна обеспечивать обход или огибание препятствия
и определение степени опасности в стесненном пространстве.
Наконец, необходимо учитывать возможность получения
недостоверной или "размытой" информации о рельефе, в
частности, возможность появления "сбойных" сигналов эхолока-
торов, что, очевидно, может провоцировать ошибочные решения
или, во всяком случае, ухудшать точность управления. В связи с
этим целесообразно введение элементов "ситуационного
управления на основе методов нечеткой логики.
Рассмотрим более подробно затронутые здесь вопросы и
конкретные алгоритмы управления, обеспечивающие рефлек-
торное" движение аппарата среди препятствии с учетом его ди-
намических свойств.
При оценке возможностей управления будем принимать во
внимание также наличие реальных ограничений на управляю
щие воздействия и характеристики существующих Э . част
ности, при отсутствии априорной информации оо ожидаемых
препятствиях вдоль трассы движения (что, вероятно,
место в большинстве случаев) решение о том, что впере .
пример, "трещина", а не "обвал", необходимо принимат
нове текущих сенсорных данных. Кроме того, неоох
нять, что при относительно небольшой дальност
существующих ЭЛС (60 м) аппарат не в состоян попадет,
наличие впереди широкой "трещины , пока
259
Возникновение угла атаки, обусловленное, в частности, воздей-
ствием положительной плавучести аппарата также в определен-
ной мере затрудняет своевременное обнаружение препятствий
(особенно, при движении на малых высотах). В результате
фактическая дистанция обнаружения препятствий уменьшается
до 20-30 м. И, наконец, при движении аппарата принимаемые
эхосигналы содержат помеху, которая может быть интерпрети-
рована как ложное препятствие. По этим причинам для свое-
временного определения препятствия целесообразно использо-
вать эхолокатор, ориентированный в передней полусфере обзо-
ра наклонно вверх. Будем предполагать, что аппарат оснащен
многоканальной ЭЛС, имеющей эхолокаторы в вертикальной и
горизонтальной плоскостях аппарата (наклонный вверх, перед-
ний, наклонный вниз, эхолот и по два боковых). Два нижних
локатора используются, в основном, для определения высоты
движения.
Прежде всего представляет интерес рассмотреть движение в
вертикальной плоскости как наиболее сложное в отношении
возможных препятствий и, соответственно, способов управления.
В выборе режимов движения имеется, вообще говоря, доста-
точно большой произвол. В принципе возможны следующие
варианты:
• движение вдоль склона с нулевым дифферентом или с
дифферентом, соответствующим углу склона;
• огибание препятствия "с ходу" с постоянной или
переменной скоростью;
• торможение или задний ход с переходом в зависание при
обнаружении препятствия, которое не может быть
преодолено "сходу";
• сканирование корпусом без поступательного движения для
определения высоты препятствия и максимального угла
обзора;
• преодоление сложного препятствия (козырька, высокого
барьера) с использованием попятного движения при
больших углах дифферента и углах атаки.
Из всех возможных вариантов движения практически необ-
ходимо выбирать наиболее экономичные по энергетике. В этом
отношении предпочтительны, очевидно, режимы с минимальным
сопротивлением, что связано с обеспечением некоторого "опти-
мального угла атаки, соответствующего заданной текущей ско-
рости. Ясно, что не все из перечисленных выше режимов удов-
ЭТ0МУ УСЛ0ВИЮ- Так’ Движение вдоль склона с нуле-
ым дифферентом нельзя считать приемлемым в качестве ос-
260
новмого режима, поскольку в этом гл,,,,,» „
ль, атаки, и расход энергиГмХХ^Г^
снижения скорости. Точно так же, при сложном маневрировании
вблизи препятствия, трудно обеспечить энергетнческ“
мальнын режим, поскольку при этом отдается приоритет
безопасности аппарата, и, как следствие, возникают дополни-
тельные энергетические затраты на движение. Остановимся бо-
лее детально на анализе основных режимов.
Движение вдоль склона с заданным дифферентом
Создание управляющих сил и моментов с помощью четырех
кормовых и одного носового движителей дает произвол в вы-
боре соотношений между величинами упоров движителей.
В частности, если задать суммарную вертикальную силу Тг, и
момент Mz, то из уравнений статики можно найти выражения для
всех составляющих упоров при наличии дополнительных кинема-
тических связей. При этом можно положить в целях минимиза-
ции энергии, что стабилизация глубины и движение вдоль поло-
гого склона осуществляются в обычном режиме, а при маневре
или движении вдоль крутого склона кормовые и носовой движи-
тели работают совместно.
Реальный угол атаки при этом определяется соотношением
вертикальных составляющих упоров, плавучести и подъемной
гидродинамической силы. Так как последняя нелинейно зависит
от скорости и угла атаки, очевидно, что и мощность, затрачи-
ваемая на движение, также нелинейно зависит от угла атаки, что
можно оценить приближенно на основе эмпирических данных.
Дли практических расчетов можно использовать аппроксима-
ционные зависимости потребляемой мощности от упора в швар-
товном режиме и на ходу. В частности, для движителей, исполь-
зуемых в АНПА "CR-01", мощность в швартовном режиме ха-
рактеризуется приближенной зависимостью W = kiT2. где
= 0,11 Вт/Н2 для прямого хода и kt = 0,15 Вт/Н2 для реверса.
Аналогично для поступательного движения
D = 0,25-2 м/с можно использовать аппроксимацию W - 0,1 /3 i
Необходимо отметить также некоторые особенности управ-
ления, связанные с изменением скорости от нуля до максималь
ного значения. Очевидно, что прн увеличении скорости возрас
тает эффективность гидродинамических сил, и, следовате ь
уменьшается необходимость в использовании носового ДВВ2К*
теля. В этом случае движение прн обычном управлении с Р
вождается небольшими углами атаки, что дает дополнительный
261
выигрыш в энергозатратах. Использование носового движителя
оказывается необходимым лишь при малых скоростях, когда, во-
первых падает эффективность гидродинамического сопротив-
ления и, кроме того, ухудшается управляемость по глубине
вплоть до возникновения инверсной управляемости. Последний
эффект, как показывают расчетные и опытные данные, возни-
кает в диапазоне скоростей движения 0,15-0,20 м/с.
Огибание препятствия "с ходу"
Для преодоления одиночных препятствий типа "уступ",
"барьер", "яма", "ров" и т.п. может быть использовано обычное
управление, сформированное на основе эхолокационных данных
системы переднего обзора. При обнаружении препятствия соз-
дается момент, пропорциональный соотношению измеряемых
дистанций, и осуществляется движение с дифферентом, соот-
ветствующим высоте препятствия и дистанции, при которой
начинается маневр. Динамические свойства аппарата и характер
управления аналогичны предыдущему случаю. Отличие за-
ключается в том, что по мере приближения к препятствию
контролируется некоторая страховочная дистанция, допускаю-
щая возможность огибания препятствия "с ходу" без тормо-
жения и включения носового движителя. Режим движения
выбирается в зависимости от величины крутизны склона Д,
которая вычисляется на основе данных от ЭЛС в каждой точке
траектории.
Пусть d,(i = 1...4)- дистанции локаторов, ориентированных
соответственно вниз, наклонно, вперед и наклонно вверх; а, -
угол между i и i + 1 локатором, <р, - угол между продольной осью
аппарата и ;-м локатором, у - дифферент. Тогда крутизна скло-
на вычисляется следующим образом:
Д = У + max f<p, - arctgC —^'+1 s^n0C|_Y]
1=1 V \di - dl+i cos a, J J’
где <p, =(90°-a.) + £av
t=i
Для устранения влияния шума локаторов на вычисляемую
крутизну используется медианная фильтрация.
усть । и 62- пороговые значения крутизны склона, при
™Т.°РЬ1Х ПРОИСХОДИТ переключение режима "крейсерского" дви-
на режим торможения или включения носового движи-
262
Рнс. 5.17. Огибание препятствия "с ходу"
теля. При небольшой крутизне склона (1Д1<5,) используется
крейсерский режим движения со скоростью о = 1 м/с. Данный
режим обеспечивается работой кормовой движительной секции
аппарата.
Для формирования управления М2 используется позиционное
рассогласование dY = Y3 - min (dl( d2 cos а), программный диф-
ферент, в качестве которого выбирается рассчитанная крутизна
поверхности Д, угловая скорость по дифференту и страхо-
вочная дистанция по переднему локатору d3:
Mz = K}dY+ К2(&-у)+ К3у + Kt(ll d3).
Небольшие препятствия при этом обходятся "с ходу". На
рис. 5.17 представлен пример огибания препятствия в случае,
когда его высота сравнима с высотой движения аппарата. Пока-
заны траектория движения и положение корпуса аппарата через
20-секундные интервалы модельного времени. Ширина стороны
квадрата координатной сетки составляет 10 м.
При большей крутизне склона (8, <1Д1<82) скорость аппа-
рата уменьшается до 0,5 м/с. Для создания управляющих момен-
тов используется совместная работа носовой и кормовой
движительных секций, что позволяет создать значительно боль-
шие углы дифферента.
Огибание высоких и крутых препятствий
Для преодоления высоких и крутых склонов (1Д1>8:) аппа
рат прекращает поступательное движение и удерживает допусти
мое расстояние до препятствия, имея дифферент на корму, ри
этом контролируется расстояние до препятствия по верхнему
переднему локаторам. Одновременно происходит дви
вверх по склону со стабилизацией дифферента, а рис. р
ставлен пример огибания препятствия типа барьер .
263
Управляющие упоры и моменты формируются следующим
образом:
Tz = K’1(min(d3,^)-£)) + К2х,
(Т А <90° Г2К, А <90°,
Пути’ D _ J J
у [K{(d4-2Y3) + K2y,^>9O0’ [30, A > 90°.
Мг = К№3-у) + Кгу,
где К{, К2- параметры управления, Х3 - заданная высота над
грунтом, i,y - составляющие скорости.
В отличие от предыдущего случая АНПА не в состоянии
обогнуть такое препятствие "с ходу" ввиду его большой высоты.
В точке "А" происходит торможение аппарата с переходом к
стабилизации заданного расстояния до препятствия, которое
пропорционально заданной высоте движения. Торможение аппа-
рата происходит плавно благодаря заблаговременному обнару-
жению препятствия. На рис. 5.19 показаны графики изменения
основных величин, характеризующих движение: скорость, упор,
идентифицируемый угол склона, дистанции по верхнему, пе-
реднему и наклонному локаторам.
Оценим динамику аппарата в режимах торможения и заднего
хода. Очевидно, что основными параметрами, характеризую-
щими динамику аппарата в этом случае, являются время и путь
при торможении с некоторой начальной скоростью и при дви-
жении задним ходом. По расчетным оценкам (табл. 5.6) пробег
при торможении с начальной скоростью ъ(0) = 0,3-0,7 м/с может
составлять А"т = 2-13 м при тормозящем упоре Тх = 20-80 Н, а
время торможения составляет гт = 10-50 с в зависимости от
начальной скорости и тормозящего упора. При этом суммарное
264
S3 S3 88 88 88 88 88
AUV velocity (m/s)
00:51
00:51
01 : 16
01:16
: 01 :42
:01:42
00:25
00:25
: 02:08
: 02:08
00:00
00:00
Тх(п)
0.00 120.00
Sloper sonar (m)
Phc. 5.19. Изменение параметров движения при огибании "барьера"
Таблица 5.6. Параметры движения
в режимах торможения эадпегохода
о(0), м/с Т-н Ухт.м | 'т-с __ I Vjy Mfc | f3\* с J W. Вт
0.3 20 3,6 25 0,44 50 1 1,8
0.3 40 1,8 10 0.67 25 46,6
0.5 20 13,0 50 0,44 90 1 1.8
0.5 40 5,0 20 0,67 40 46,6
0.7 60 7.5 20 0,82 40 104,6
0,7 80 5,4 20 0.93 35 186
время, затрачиваемое на возвращение в исходную позицию,
составляет гзх = 25-90 с.
Торможение и задний ход осуществляются с помощью
кормовых движителей, а носовой движитель может быть исполь-
зован только для компенсации угла атаки, обусловленного плаву-
честью. Потребляемая мощность оказывается наиболее высокой
при большей начальной скорости и, соответственно, большем
тормозящем упоре, а также вследствие того, что сопротивление
заднего хода приблизительно в два раза выше лобового сопро-
тивления. Поэтому для уменьшения энергопотребления в этом
случае целесообразно ограничить упор заднего хода, несколько
уменьшив при этом скорость.
Преодоление сложных препятствий
Склон с крутизной 90° и более считается препятствием типа
"козырек" или "пещера". При этом стабилизируемое расстояние
до препятствия увеличивается до 30-40 м, что приводит к
попятному движению под "козырьком", либо к тому, что аппарат
не входит в' пещеру". На рис. 5.20 представлен пример движения
аппарата в районе такого препятствия. Размеры препятствия
таковы, что оно целиком находится в поле зрения ЭЛС. На
основе этих данных происходит всплытие аппарата без его про-
движения в глубь "пещеры". Для наглядности в некоторых точ-
ках траектории нанесены лучи эхолокаторов. Длина каждого
луча соответствует радиусу действия ЭЛС. Огибание препятст-
вий такого типа характеризуется использованием режимов
торможения и заднего хода. Величина угла атаки может
изменяться вплоть до 180°.
266
Рис. 5.20. Огибание препятствия типа "пещеры"
Рнс. 5.21. Движение иод "козырьком"
На рис. 5.21 приведен пример движения аппарата под "ко-
зырьком". Данный случай похож на приведенный выше с той
разницей, что заранее АННА не в состоянии оценить характер
препятствия из-за его значительных размеров. В результате
только в точке "А" аппарат определяет, что находится под "ко-
зырьком" и переходит к попятному движению. На рис. 5.22
приведены графики, иллюстрирующие процесс огибания данно-
го препятствия.
267
SS SS SS 88 88 88 88 88 88
•oo-oo
: 00:00
: 01: 16
:01.16
: 02:33
: 02: 33
: 03:50
: 03:50
: 05 :07
: 05 • 07
: 06: 24
: 06:24
:07:40
:07:40
: 08 :57
; 08:57
: 10: 14
: 10: 14
00:11:31
Рис. 5.22. Графики изменения параметров движения под "козырьком"
Рис. 5.23. Проход над "ущельем"
На графиках представлены следующие параметры: диффе-
рент, угол атаки, скорость, крутизна препятствия и потребляемая
мощность. Точке "А" соответствует переход на попятное движе-
ние, а точке "В" - момент встречи с препятствием. Данный алго-
ритм движения позволяет также избегать попадания в "ущелья",
26В
если их ширина сравнима с радиусом действия ЭЛС. На рис. 5.23
показан пример прохода над ущельем шириной 50 м.
Пример моделирования движения АНПА вверх по склону с
достаточно сложным рельефом приведен на рис. 5.24. Вся траек-
тория движения состоит из нескольких участков, каждому из
которых соответствует свой режим управления. Заданная высота
движения АНПА на грунтом составляет 3 м. Участки 1, 2, 4, 5
представляют собой варианты движения вдоль склона, имею-
щего как положительную, так и отрицательную крутизну от 70°
до -65°. На участке 3 осуществляется огибание "козырька", при-
чем движение на большом расстоянии от склона на этом участке
объясняется тем, что "козырек" впереди по ходу движения был
обнаружен заблаговременно. На участке 6 аппарат осуществляет
выход из-под "козырька" большего размера аналогично тому,
как это было представлено выше.
Возможности управления
с элементами нечеткой логики
Рассмотрим теперь данные вопросы с позиций ситуа-
ционного" управления. При работе АНПА в условиях неполной
или нечеткой информации о среде система управления должна
реагировать на возникновение неопределенных или опасных
ситуаций таким образом, чтобы обеспечить выполнение тре уе-
мой задачи, в частности, осуществление заданной траектории
движения. Введение в систему элементов нечеткого, ситуацион-
269
ного управления представляется целесообразным в тех слу-
чаях когда в дальномерной информации ЭЛС возможно по-
явление серии "сбойных" или "размытых" данных. Кроме того,
ппи отображении геометрии рельефа дна на основе показаний
"однолучевых" эхолокаторов могут возникать ситуации с
неоднозначной интерпретацией, провоцирующей ошибочные
решения.
Само понятие нечеткой ситуации определяется обычно как
совокупность нечетких признаков, характеризующих состояние
объекта (расстояние до препятствия - малое, среднее, большое;
скорость - назад, малая назад, на месте, малая вперед и т.д.). Это
понятие формализуется на языке нечетких и лингвистических
переменных, что позволяет воспринимать и оценивать ситуацию
с помощью решающих матриц, которые содержат набор правил,
соответствующих тем или иным (типовым) ситуациям. В при-
нятии решений и управлении существуют различные под-
ходы типа "ситуация-действие", "ситуация-стратегия-действие".
В обычных задачах управления структура системы имеет стан-
дартный вид и отличается от обычных схем управления лишь
наличием блоков фаззификации, принятия решений и дефаззи-
фикации.
Различные модели ситуационного управления, использую-
щие средства нечеткой логики, находят широкое применение при
построении адаптивных и обучающихся робототехнических
систем управления. В частности, в работах [30; 31] рассматри-
ваются подобные подходы к синтезу систем управления движе-
нием мобильных роботов, действующих в условиях неопределен-
ности среды. В качестве основы для решения задачи выбора
трассы движения колесного робота в среде с препятствиями при-
няты человеко-ориентированные алгоритмы, использующие
экспертные знания в форме нечетких ассоциативных карт. Ана-
логичные принципы реализованы в системах управления ряда
зарубежных подводных аппаратов для решения разнообразных
задач топографической съемки и обследования дна, а также и
некоторых других океанографических задач. Использование не-
четких подходов является характерным для известных японских
аппаратов ("ДЕ 1000', "Rl", " URASHIMA-EX Г) и некоторых
аппаратов США и Европы, в частности, аппарата "Odyssey".
Имеются публикации о применении такой системы для бати-
метрии, мониторинга и картирования подводных траншей и кот-
ловин в районах прокладки трубопроводов [32-34]. В боль-
шинстве случаев подобные системы имеют гибридную
структуру, в которой "четкие" и "нечеткие" переменные разби-
270
Рис. 5.2S. Гибридная структура системы управления с элементами
нечеткой логики
ваются на два класса по способам представления входных и вы-
ходных данных и, соответственно, по каналам управления.
Рассмотрим структуру управления, режимы движения п
динамику АНПА в вертикальной плоскости как наиболее слож-
ное в отношении возможных препятствий. В представленной
на рис. 5.25 гибридной модели системы управления интегриро-
ваны функции обычного (четкого - TLB) и нечеткого (FLB)
управления.
Фаззификация переменных состояния
и управляющих воздействий
В выборе нечетких переменных имеется определенный
произвол. По условиям задачи к основным нечетким входным
переменным следует отнести дальномерные данные эхолока-
торов, а к выходным переменным - управляющие воздействия в
виде составляющих суммарного упора движителей и момента
относительно центра масс аппарата.
Остальные переменные состояния могут быть отнесены к
какому-либо одному из этих двух классов в зависимости от
конкретных требований задачи.
271
Функции принадлежности (ФП) для нечетких входных пере-
менных (</1, d2, dl, d4) и выходных управляющих величин (7л; Ту,
Mz) определяются термами, характеризующими нечеткие линг-
вистические понятия:
• для входных переменных (дистанций) термами вида
"близко" - "очень близко", "как задано", "далеко" - "очень
далеко" или в более простом случае тремя термами
"близко", "в норме", "далеко";
• для выходных переменных (упоров и момента) термами
вида "большой отрицательный - положительный",
нулевой", "малый отрицательный - положительный".
Соответствующие зависимости показаны графически на
рис. 5.26 а,б.
В гибридной структуре "нечеткие" контроллеры (рис. 5.27)
формируют оценки нечетких переменных (fuzzy D) и режимы
переключения управляющих воздействий (fuzzy UP и fuzzy Тх, Ту,
Mz). Блок fuzzy Hight оценивает высоту АНПА по двум нижним
272
Рис. 5.27. Функциональная схема блока нечетких (FLB) контроллеров
Ряс. 5.28. Отклики нечетких
контроллеров на изменение
входных величии
а - fuzzy UP на изменение
величин \ б - fuzzy Hight иа
изменение величии d\, d?', в)-
зависимость Tr(df)
18 Автономные
273
Рис. 5.29. Примеры траекторий при огибании препятствии
локаторам, а блок fuzzy UP осуществляет плавное переключение
режимов движения.
Нечеткие контроллеры с помощью правил вывода (по ме-
тоду Мандами) отражают связь входных и выходных функций
принадлежности. Для описания логики работы системы управле-
ния используются нечеткие ассоциативные карты, оперирую-
щие такими понятиями, как "стенка" (режим 1), "препятствие
впереди-сверху" (режим 2), "препятствие по носу" (режим 3),
"препятствия нет" (режим 4) и некоторыми др. Примеры
откликов контроллеров fuzzy Hight и fuzzy UP, fuzzy Ту на
изменение дистанций по соответствующим локаторам показаны
на рис. 5.28.
Для имитации случайных ошибок при определении дистан-
ций по локаторам используется структура, формирующая
"пачку" недостоверных значений определенной длительности т,
следующих со случайным или периодическим интервалом
времени Тт.
На рис. 5.29 показаны траектории движения при огибании
высокого "барьера" и при движении по эквидистанте вблизи дна
со сложным рельефом для четырех случаев: обычного (четкого)
управления (t-track) и управления с нечеткой логикой (f-track) при
наличии и отсутствии сбоев в работе ЭЛС.
Пунктирной линией отмечена траектория при наличии сбоев
в измерении дистанции </3, метками отмечены места на траек-
тории, где происходили сбои сигналов при нечетком управлении.
Оба из рассмотренных алгоритмов управления (TLB, FLB) обес-
печивают огибание как простого одиночного препятствия, так и
более сложного рельефа, по траекториям, близким к эквидис-
танте. В обоих вариантах управления происходит переключение
режима преодоления препятствия "с ходу" на режим маневри-
рования с включением носового движителя. Параметры динами-
274
ческои модели и в том, и в другом случаях принимались оди-
наковыми, но при выбранной структуре нечеткого управления
траектория движения и собственно динамика аппарата оказы-
ваются более "сглаженными" как при полной достоверности в
измерении дистанций, так и при наличии периодических сбоев
сигнала переднего локатора. Вероятно, данный эффект должен
проявляться более заметно при увеличении интенсивности по-
мехи, что и должно оправдывать применение нечеткого управ-
ления в подобных ситуациях.
Глава 6
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ
ПЕРСПЕКТИВНОГО РАЗВИТИЯ АНПА
6.1. СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СЕТИ
ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ
АНПА С СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКОЙ
В кругах научных организаций существует общее мнение о
невозможности собирать достаточное количество данных, с
помощью которых можно было бы с приемлемой точностью
описать динамику химических, биологических и физических па-
раметров и процессов в озерах, морях и океанах. Основания для
такой позиции весьма разнообразны - от чрезмерности объема
необходимой информации и трудности ее получения и обработки
до сомнений в доступности и надежности соответствующего
оборудования. В то же время необходимо лучшее понимание та-
ких явлений, как физические и биологические взаимодействия,
биохимические процессы и циклы, как естественные, так и обус-
ловленные внешними воздействиями. Разреженность океаноло-
гических измерений в пространстве и во времени является важ-
ным фактором, на который давно обращали внимание океа-
нологи [1-4]. Хотя необходимость более детальных измерений
для мониторинга океана очевидна, применение современных
методов и аппаратуры оказывается либо слишком дорогим, либо
вообще невозможным.
Одним из возможных путей решения упомянутых задач
является создание автоматизированных распределенных систем
неподвижных и движущихся платформ, способных производить
непрерывные измерения в выделенном районе океана. Подоб-
ные автономные сети океанологических измерений (АСОИ) спо-
собны обеспечить эффективный мониторинг значительных
районов океана. Сеть позволит производить измерения в задан-
ном районе с высоким разрешением как по времени, так и в
пространстве. Благодаря ее автономности удельная стоимость
сбора данных окажется много меньшей, чем при применении
традиционных методов. Определяющим элементом АСОИ
276
является автономная платсЬппма тт ,
ты. В качестве такой платформы наХТсм*™ ВреМеНем раб°-
исполызующий солнечную энергию [5-121 атривается АНПА-
Солнечные батареи, как hirpctua т,-,„
роко в различных областях техники ОЛЬЗУЮТСЯ очень ши-
ехники, в Частности ПЛЯ нявига
ционных и гидрометеорологических буев. В свежую погоду они
естественно, заливаются волной, так что возможность раб^т’
солнс 1нои батареи в воде не вызывает сомнений. Более того в
США произошла невольно проверка солнечной панели фирмы
Solarex при погружении ее на глубину 275 м примерно на один
год, когда затонул исследовательский буй. После подъема буя
рыболовным судном оказалось, что солнечная панель вполне
работоспособна, а после очистки от обрастания она показала
исходные параметры. Кроме того, в ИПМТ ДВО РАН были
проведены испытания в барокамере при давлении 65 МПа,
показавшие способность кремниевых преобразователей выдер-
живать такое давление без изменения их свойств.
Исторически океанография столетиями была под гнетом
крайней ограниченности объема собираемых данных. Ранние
технологии, использовавшие батометры, свисавшие с бортов
судна, давали вертикальные профили, основанные на считанных
точечных замерах. Введение электронных инструментов типа
CTD, обеспечивающих непрерывные измерения, увеличило объ-
ем выборки по вертикали, однако по-прежнему в ограниченном
числе мест и моментов времени, соответствовавших положению
и числу станций. Буйковые станции увеличили плотность данных
во временном масштабе, но с еще большими пространственными
ограничениями при сравнении с судовыми измерениями. Несмот-
ря на огромные капиталовложения в океанографию, даже в
наиболее полных атласах океанов приводятся крайне разрежен-
ные данные по большей части поверхности океана и по времени.
Эти ограничения были отчасти сняты введением спутниковых
измерений с их поистине глобальным охватом поверхности
океанов. Хотя их возможности ограничены лишь поверхностным
слоем вод океана в безоблачные дни, они показывают богатство
структуры и динамики вод, которые оказываются в значитель-
ной степени скрытыми при использовании традиционных техно-
логий судовых измерений. При возможности объединять спутни
ковый сбор данных с данными измерений с высоким разреше-
нием в толще вод по большой площади многие океанские пр
цессы могли бы быть лучше поняты. гпиз
Автономная сеть океанографических измерений (АСОМ) -
концепция, предполагающая решение проолемы огр
277
объема измерений в океанах. Основной принцип сводится к тому,
что некоторое число автономных узлов сети, осуществляющих
измерения, могут взаимодействовать друг с другом и получать
океанографические данные одновременно, благодаря чему
оказывается возможным получение данных о крупномасштаб-
ных океанских явлениях с высоким разрешением по времени и
пространству на протяженном промежутке времени. Концепция
АСОИ развивалась в течение многих лет и была рассмотрена
многими исследователями. Одна из первых публикации, в
которой было введено понятие АСОИ, была представлена Генри
Стоммелем из Вудсхоллского океанографического института в
1989 г., где он предложил концепцию SLOCUM - использование
множества аппаратов, перемещающихся в океанских просторах и
транслирующих информацию в центр анализа данных [15].
В 1993 г. доктор Том Куртин усовершенствовал это понятие в
статье, описывающей его версию множественной автономной
системы, которую он назвал AOSN(АСОИ) [16].
Реальное значение АСОИ существенно возрастает, если
обеспечить связь между измерительными платформами, кото-
рыми могут быть буи, подводные аппараты и иные устройства.
Это позволяет координировать их взаимодействие при осу-
ществлении измерений в районе того или иного океанского про-
цесса. Например, легко себе представить распределенную гидро-
акустическую антенную систему, составленную из объектов
АСОИ, конфигурация которой задается из центра, а предва-
рительная обработка данных производится на месте, поскольку
обеспечивается связь между объектами (узлами сети).
АСОИ должна быть составлена из группы автономных
объектов, оснащенных датчиками, - узлов сети, которые рабо-
тают согласованно, чтобы собирать океанографические данные.
Эти узлы могут быть подвижны (АНПА), или неподвижны (буй-
ковые станции). Для простоты изложения мы обозначим их как
автономные инструментальные платформы (АИП). Каждый
узел должен иметь возможность производить измерения, иметь
связь с другими узлами, систему энергообеспечения, которая до-
пускает длительное время работы, интеллектуальный процессор,
способный обеспечить сотрудничество с другими узлами в
С И в режиме, обеспечивающем выполнение определенной
задачи. При выполнении этой задачи АНПА должны быть спо-
со ны стыковаться с заякоренными буями, действующими как
для зарядки АНПА, так и как узлы связи с отдаленным поль-
зователем. Таким образом, отдаленный пользователь может
оперативно взаимодействовать с АНПА. Предполагается, что
278
АСОИ обеспечивает достаточно п™, „
благодаря подзарядке АНПА во раб°™
Представляется, что использование группы автономных из
мерительных платформ - единственны/приемлемыйвариант
сбора достаточного количества данных для понимания и мо-
ниторинга процессов, которые продолжительны во времени и
имеют значительный пространственный масштаб. Космические
спутники примеры таких систем, которые могут дистанционно
получать большой объем данных в пространственном и вре-
менном измерениях, что позволяет понимать и оценивать гло-
бальные процессы. Возможно, более важной является их спо-
собность идентифицировать высокоэнергетические явления, ко-
торые сохраняются лишь малые промежутки времени, но имеют
значительное влияние на рассматриваемые процессы. Спутнико-
вые системы, однако, не могут производить измерения в толще
вод, чтобы накапливать данные, крайне необходимые для
лучшего понимания влияния океана на глобальные процессы.
Альтернативное решение этой и других подобных проблем
может дать АСОИ, использующая множество индивидуальных
систем (АИП), каждая из которых контролирует сравнительно
малые области в ограниченных периодах времени. Дистанционно
собранные данные затем могут быть совместно обработаны,
чтобы извлечь требуемую информацию относительно явлений,
представляющих интерес. Это минимизирует трудозатраты и
затраты на исследовательские суда, которые должны были бы
непрерывно курсировать в больших областях, чтобы обеспечить
требуемые наблюдения. В данном случае их роль может быть
ограничена наблюдением за функционированием АСОИ и
управлением процессом сбора информации. Эта способность бо-
лее эффективно использовать ограниченные человеческие и
другие ресурсы при выполнении указанных задач является жела-
тельной целью и в ближайшее время станет возможной за счет
использования автономных систем. Ключ к этому потенциалу
возможность эффективно управлять большим количеством
АИП персоналом ограниченной численности. При этом не по-
требуется непрерывное управление каждой платформо и оно,
вероятно, понадобится лишь эпизодически, если
определенного АИП или их группы потреоует непосредствен
ного вмешательства оператора. зяпачей
Любая реализация АСОИ должна быть опреде.пена°задачей,
подлежащей разрешению, т.е. изучаемому паваметрам
ся выбора комплекта датчиков, соответству во вни’
подлежащим измерению. Необходимо та P
279
манне пространственные п временные масштабы рассматри-
ваемого процесса. Важное значение имеет точность измерении,
от которой, в частности, зависит распознавание временных ха-
рактеристик явления. Наконец, конфигурация АСОИ должна
быть определена надлежащим образом.
Всегда имеются ограничения на выбор доступных датчиков и
платформ. Их размещение и способ взаимодействия друг с дру-
гом определяются исходя из свойств изучаемого явления. Отве-
ты на все эти вопросы должны быть найдены потребителем дан-
ных раньше конфигурирования АСОИ. Отдельные представи-
тели сообщества океанологов уже начинают рассматривать и
признавать широкие возможности использования рассматривае-
мых методов. Технологии, необходимые для развития систем
АСОИ, в настоящее время быстро развиваются, и уже предпри-
нимались попытки организации совместной работы группы
АНПА. Еще многое нужно сделать, однако успешное решение
этих задач сулит революционизировать океанские системы сбора
данных в ближайшее время.
В ряде организаций существует мнение, что для развития
АСОИ необходимы исследования и разработки в трех областях:
1) поиск инженерно-технологических решений оборудования
АИП;
2) проблемы, связанные с созданием инфраструктуры, не-
обходимой для эффективного взаимодействия АИП;
3) программное обеспечение - разработка алгоритмов и ме-
тодов решения реальных задач.
Инженерно-технологические задачи
Рассматривая функционирование АСОИ в целом, мы можем
выделить три вида платформ, которые должны входить в состав
сети. Первый тип платформы - это АНПА, оснащенный необхо-
димым набором датчиков. Аппарат совершает пространственное
движение в толще вод и производит измерения тех параметров
среды, которые соответствуют целям исследования процесса
(рис. 6.1). н
Второй тип платформы должен обеспечивать обмен инфор-
мацией между объектами АСОИ и центром сбора информации и
управления. Эта платформа может находиться на поверхности,
связь с погруженными АНПА осуществляется по гидроакустиче-
скому каналу, а с платформами на поверхности - по радиокана-
лу. для связи с центром, очевидно, большей частью будут ис-
пользоваться спутниковые системы. Наконец, третий тип плат-
280
t, r Качество
□J Кабельная связь (TAT кабель) Продолжительность
Тип данных/качество
Аварийная ситуация - уровень ошибки 10-6
Состояние/команда - уровень ошибки КН
Измеряемые данные - уровень ошибки 10-2
Рис. 6.1. Схема варианта автономной сети океанологических
измерений
TCP/IP - протокол управления передачей (Transmission Control Protocol) I
протокол Интернета (internet Protocol)
TAT Cable - трансатлантический телефонный кабель (Trans Atlantic
Telephone Cable)
формы предназначается для энергоснабжения других АИП. Эта
платформа должна вырабатывать такое количество энергии,
которое необходимо для других платформ, входящих в состав
АСОИ. АНПА могут стыковаться с платформой энергоснаб-
жения для подзарядки бортовой системы. Для выполнения двух
последних функций, очевидно, можно использовать одну плат-
форму.
Альтернативный метод реализации функции пополнения
энергии используется в солнечном АНПА. Как описано выше,
САНПА черпает энергию из окружающей среды. Возможно
использовать и другие формы экологически доступной энергии
типа течений или волнового движения. В некоторых системах
используются изменения плотности для обеспечения движения
аппарата. В этом случае время работы аппарата определяется
запасом энергии, потребным для работы систем управления и
281
измерений. Наряду с необходимостью использовать различные
типы платформ концепция АСОИ подразумевает применение в
АИП широкого набора подсистем, чтобы обеспечивать необхо-
димые функциональные свойства АИП.
Измерительная подсистема. Хотя в настоящее время дос-
тупен широкий выбор разнообразных океанологических дат-
чиков, применение их на платформах сети выдвигает специфиче-
ские требования, которые должны учитываться. Продолжи-
тельное время автономной работы АСОИ обусловливает необ-
ходимость высокой надежности и стабильности характеристик
измерительных устройств во времени. Поэтому должны исполь-
зоваться различные методы самоконтроля и самокалпбровкп.
Кроме того, автономность систем при ограниченных ресурсах
энергии налагает требование экономичности по энергопотреб-
лению. Аналогичным образом обстоит дело и с габаритными
характеристиками. Короче говоря, аппаратура должна быть
малогабаритной н потребляющей возможно меньше энергии.
Навигационная подсистема. Обеспечение точной навигации
на протяженном промежутке времени является важным факто-
ром полноценного функционирования АСОИ. Очевидно, что
измеренные данные должны быть привязаны к временным и
пространственным координатам с высокой! точностью. Наряду с
этим координация движений отдельных АИП возможна лишь
тогда, когда есть уверенность в знании их точного взаимного
положения. Решение проблемы навигации облегчается, если
часть платформ постоянно находится иа поверхности океана.
Эти платформы могут использовать спутниковые навигацион-
ные системы, обеспечивающие высокую точность определения
места, и могут служить опорной базой для определения поло-
жения подвижных АИП. Однако последние и в этом случае
должны располагать информацией о положениях других аппа-
ратов для согласования маршрутов и предотвращения столкнове-
ний в зоне действия АСОИ. Необходима, следовательно, некая
локальная навигация, которая может быть реализована с по-
мощью гидроакустических средств.
Подсистема связи. Реальное значение АСОИ существенно
возрастает, если обеспечить связь между измерительными плат-
формами, которыми могут быть буи, подводные аппараты и
иные устройства. Это позволяет координировать их взаимо-
действие при осуществлении измерений в районе того или иного
кеаиского процесса. Например, легко себе представить распре-
деленную гидроакустическую антенную систему, составленную
ектов СОИ, конфигурация которой задается из центра, а
282
предварительная обработка ланнш
поскольку обеспечивается связь межпу лб зв°Дится на месте,
Необходима, разумеется, связь базового APtFI™**" (узлами сети->-
зоватслсм или оператором. При больших судаленным не-
применение спутниковых сисрт:мбы;ьяТвдгьун-яы;:хнз°
сотовую телефонную ста?™ СреДСТВа РаДиосвязи включая
Деление. Как упомянуто выше, методы приведения в дви-
жение подводных аппаратов и эффективность этих методов -
важные проблемы для концепции АСОМ. Для большинства
реальных задач, выполняемых АСОМ, характерна значительная
длительность операции. Это побуждает рассматривать наряду с
традиционными и новые способы формирования пропульсивной
СИЛЫ.
Энергия. Важнейшим ограничительным фактором для лю-
бых автономных платформ является доступный резерв энергии.
С одной стороны, для увеличения времени автономной работы
желательно увеличить объем источника энергии, с другой, на-
оборот, уменьшить с целью снижения габаритов и стоимости
аппарата. Поэтому при разработке АСОИ необходимо рас-
сматривать как методы сохранения энергии на борту, так и ме-
тоды получения ее из окружающей среды. Другой особенностью
АСОИ, связанной с энергообеспечением, является необхо-
димость стыковки подвижного аппарата с базовой платформой
для зарядки вторичного источника. Для этого требуется создание
надежных устройств стыковки в воде, возможно, при высоком
давлении и организации процессов инициации, управления и
завершения зарядки в автономном режиме.
Конечно, имеются другие технологии, которые требуются
для АСОИ, но приведенный выше обзор наиболее существенных
задач, исследуемых в настоящее время многими организациями,
лишь подчеркивает факт, что АСОИ является пока концепцией
системы и требует внимательного учета современного состояния
различных технологий, касающихся ее подсистем.
Инфраструктура, необходимая для эффективного
взаимодействия элементов АСОИ
АСОИ представляет собой многослойную разветвленную си
стему со сложными связями и взаимодействием ее элементов
(АИП). Поэтому создание и развитие системы определяется как
функциональными свойствами подсистем различных . р •
так и инфраструктурой системы, под которой мы удсх р
283
зумевать технические и программные средства обмена информа-
цией выработки н принятия согласованных решении с участием
центра нлп без такового. Отдельные АИП. входящие в состав
АСОИ могут иметь различное инструментальное оснащение от
простейшего набора датчиков до многофункциональных измери-
тельных систем и систем управления с элементами искусствен-
ного интеллекта. Очевидно, что и рабочие миссии АИП могут
оказаться существенно разными. Вероятно, в этих условиях
уровень самостоятельности объектов АСОИ должен варьиро-
ваться в некоторых пределах. Иными словами, образуется неко-
торая иерархическая структура, в вершине которой находится
удаленный центр управления. При этом структура АСОИ долж-
на быть гибкой п допускать эпизодическую реконфигурацию.
Например, участвующие в работе АНПА должны время от
времени пополнять запас энергии, следовательно, состав АСОИ
неизбежно будет меняться. Удаленный центр управления, разу-
меется, должен располагать возможностью, во-первых, получать
полную информацию о работе АСОИ и анализировать ее, во-
вторых, передавать команды управления. При значительном
удалении центра от района работ трудно рассчитывать на не-
прерывную связь, и автономное управление АСОИ приобретает
исключительно большое значение.
Интересна реализация АСОИ при использовании в качестве
АИП солнечных АНПА. Такие аппараты должны регулярно
всплывать в дневное время для зарядки аккумуляторов. В это
время должна производиться связь с удаленным центром управ-
ления или пользователем. После анализа принятых данных опе-
ратор может откорректировать или полностью заменить про-
грамму выполнения миссии. Работа полноценной АСОИ воз-
можна при использовании группы согласованно действующих
АИП. Это предоставляет уникальные возможности, но одновре-
менно требует решения проблем, связанных с таким полуавто-
номным управлением группой автономных объектов. Задача
сводится к управлению многими АНПА с ограниченными вычис-
лительными ресурсами и ограниченными возможностями связи
(ориентировочно, один-два раза в сутки), задача которых - сог-
ласованно провести сбор океанографических данных. Стратегия
такого полуавтономного управления должна давать возможность
пользователю собрать и проанализировать данные, модифи-
цировать и разослать некоторому числу взаимодействующих
аппаратов информацию, необходимую для управления их дейст-
виями при выполнении задания. Стратегия управления должна
ыть четко определена, выработана программная информация,
284
соответствующая данной стратегии, обеспечено функцио-
нирование интерфейса, позволяющего ппт,АО, функцио
действовать с АИП на базе этой информации ВЗаИМ0'
Если проанализировать рассмотренные выше два случая то
видно, что периодичность связи оператор-АИП может
изменяться в широких пределах. В случае АСОИ в которой
имеется базовая платформа и связь ее с пользователем послед-
ний может обмениваться информацией с любым АИП практиче-
ски непрерывно с задержкой, обусловленной лишь ограничен-
ностью гидроакустического канала связи. Как показывает опыт,
такие задержки имеют длительность порядка минут В случае
применения удаленной группы САНПА, не содержащей базовой
платформы, как уже говорилось, периодичность связи может
быть низкой. В обоих случаях аппараты должны быть способны
работать автономно на достаточном отрезке времени. Пред-
шествующий опыт показывает, что проведение достаточно
сложных работ в океане возможно и при значительных задерж-
ках в передаче команд управления. Впрочем, АНПА изначально
были ориентированы на длительную автономную работу.
Организация их коллективной работы, разумеется, выдвигает
специфические требования. По существу, возникает задача при-
менения супервизорного управления, широко используемого в
робототехнике. Такое управление предоставляет пользователю
симуляцию внешней среды, в которой работает объект управ-
ления, и его ожидаемого движения в этой среде. Надежность и
точность супервизорного управления будет определяться
соотношением точности предсказания поведения системы во вре-
мени и периодичностью вмешательства оператора.
Проблема состоит в том, чтобы создать стратегию по-
луавтономного управления, которая даст возможность поль-
зователю управлять множеством сотрудничающих АИП при
сравнительно редкой возможности связи (от нескольких часов до
суток). Эта работа еще не выполнена к настоящему времени, но
исследователи понимают проблему и ведется поиск возможных
решений.
Характеристики АСОИ
По современным представлениям использование множества
кооперирующих АНПА и иных платформ с ц ' -
данных в океане, будь они буйковыми.с танц ИСтик
вижными аппаратами, может быть описан ряд
системы.
285
Рис. 6.2. Схематическое изображение процесса обследования вод в
районе гидротермы с помощью группы АНПА
Мобильность и масштаб АСОИ. Разнообразие явлений в
океанах, разнообразие их сущности, форм, масштабов и под-
вижности порождают и разнообразие в подходах к методам изу-
чения этих явлений. Легко представить себе, что такая фунда-
ментальная проблема в океанографии, как циркуляция водных
масс в океане, может быть разделена на задачи, для решения
которых в одних случаях достаточна стационарная система
сравнительно малого масштаба, в других - подвижная с большим
охватом области, в которой происходит исследуемое явление.
Например, в первом случае речь может идти о замерах течений в
сравнительно узком проливе, во втором - об исследовании
жизненного цикла крупномасштабных вихрей. Таким образом,
АСОИ можно характеризовать их способностью отслеживать
подвижные явления, т.е. мобильностью и масштабом, отражаю-
щим пространственные размеры области распределения объек-
тов АСОИ, которыми являются АИП (рис. 6.2).
АСОИ являются открытыми системами. Они существуют
в непредсказуемой и изменяющейся подводной среде. Априорное
знание этой среды ограничено вообще, а задача АСОИ в том и
заключается, чтобы формировать высококачественное знание
среды.
Компоненты системы АСОИ - аппаратные средства АИП -
реальны и выполняют свои функции с погрешностями и со
случайными сбоями. В составе системы могут происходить
изменения даже во время выполнения одного задания. АИП
286
может отказать и, следователкмп
временно или постоянно. Система’ должн! б* СОСТава системы
А тлп должна быть способна пил
дить новые АИП как для подмены, так и для увеличения воз'
можиостси системы за счет ввода новых измерительных плат-
форм, если они становятся доступными или необходимыми
вследствие изменения задания. идимыми
Открытый характер системы АСОИ накладывает несколько
важных требовании. Во-первых, способы управления и связи
должны быть достаточно гибкими, чтобы изменяться в то время
когда изменяется состав системы. Во-вторых (относится и к
первому случаю), информация об элементах, составляющих
систему, и их возможности и, следовательно, возможности систе-
мы в целом не должны быть жестко закодированы. Пере-
кодировка, например, может понадобиться при возникновении
запроса: какие из присутствующих АИП подлежат замене во
время выполнения задания? Каковы функциональные воз-
можности индивидуальных АИП? В-третьих, программное обес-
печение АСОИ нуждается в протоколе для выбывающих АИП,
и АИП, подменяющих выбывшие. В-четвертых, АСОИ должна
быть способна распознать ситуацию, когда необходима ре-
конфигурация, например, когда состав (число АИП) изменяется.
Наконец, в-пятых, методы управления и связи АСОИ должны
быть способны справиться с распознаванием нечеткой и не-
полной локальной (возможно, и глобальной) информации и
должны обеспечить адекватную реакцию на непредвиденные со-
бытия, включая отказы.
Задачи АСОИ имеют долговременный характер. Здесь
имеется несколько вопросов. Во-первых, критическим фактором
является то, что система полуавтономна. Включение человека в
цикл на длительное время увеличивает стоимость системы,
кроме того, заставляет оператора выполнять крайне утоми-
тельную задачу. Во-вторых, в системе могут возникать сбои и
другие непредвиденные события, и чем длительней задание, тем,
естественно, больше их число. В-третьих, должен детально
планироваться расход энергии. В-четвертых, АИП время от
времени будут входить в систему и оставлять ее вследствие
возникновения сбоев, ротации оборудования для профилактики и
добавления новых возможностей и платформ. пя . ,
программа миссии может корректироваться или изм^”я
мере того, как пользователь, анализируя поступают
будет вникать в существо задачи. п
Для решения задач АСОИ необходима
Связь необходима по двум причинам. Во-первых,
287
нужны в реальном времени либо для удаленного ноль юна геля,
либо для использования другими АИП для осуществления
адаптивного управления группой АИП. Вторая причина обус-
ловлена тем, что необходимо управлять и координировать АИП.
Связь в АСОИ особенно важна при осуществлении работы "по
событию" и адаптивном управлении процессом измерений.
Чтобы поддерживать связь, АИП должны быть оборудованы
системами телеметрии. Кроме того, будут необходимы про-
токолы связи для установки и обслуживания сети подводной
связи и для взаимодействия с другими сетями связи, к которым
обращается АСОИ пли пользователи. Протоколы должны быть
достаточно гибкими, чтобы справиться с открытым характером
системы.
Задачи АСОИ требуют, чтобы АИП сотрудничали.
Имеются два общих способа управления функцией АСОИ: с
централизованным или с распределенным управлением. При
централизованном управлении уровень интеллекта, требуемый в
каждом АИП, минимален, так как оператор управляет всеми
АИП из центрального поста. По мере увеличения числа АИП и
длительности задачи централизованное управление становится
затруднительным, если не невозможным. В этом случае процесс
управления АИП должен быть распределен некоторым спо-
собом. Распределенное управление позволяет преодолеть три
недостатка централизованного подхода. Во-первых, в правильно
организованной распределенной системе одиночный сбой не
может привести к сбою всей системы, лишь ограничит возмож-
ности полной системы, но не выведет ее из строя. Во-вторых,
локальная обработка информации и локальная выработка реше-
ния, основанного на этой информации, снижают требования на
производительность канала связи. В-третьих, скорость принятия
решений возрастет за счет распределения. Более быстрые реше-
ния в реальной системе могут оказаться лучшими и обеспечить
более высокую живучесть АИП.
Алгоритмы и методы, необходимые
для выполнения эксплуатационных целей
Цель концепции АСОИ состоит в том, чтобы обеспечить
инструментальные средства и методы, требуемые для эффек-
тивного отображения океанской изменчивости. Чтобы достичь
этой цели, модели изменчивости должны легко воспринимать
нформацию АСОИ, которую нужно использовать в модели,
р дполагается также, что выходные параметры модели могут
288
быть подтверждены новыми данными в рамках методов моде-
лирования. Таким образом, процесс сбора данных управляется
моделью требующей эти данные, а последние позволяет уточ
нить модель. Эффективная реализация концепции АСОИ до-
ставляет возможность экономично собирать пространственные
параметры вод в океане с высоким разрешением. Внутренним
свойством концепции системы является высокая надежность
доступ к полученным данным географически рассеянным
пользователям.
Методы выполнения сбора океанографических данных могут
быть разделены на три типа: традиционный, в котором изме-
рения производятся в одном заданном районе регулярно в тече-
ние длительного периода времени; управляемый по событиям, в
котором до возникновения некоторого события производятся
лишь ограниченные измерения; адаптивный, в котором стра-
тегия производства измерений корректируется самой системой
на основании распознавания трендов в текущих данных. Уни-
версальная АСОИ должна быть способна использовать все три
метода по одному или одновременно.
Традиционный метод. В общем случае имеется потребность
в сборе данных в некотором районе длительный период времени.
Обычно это делается с помощью буйковых станций, имеющих
связь с береговой базой, где данные анализируются и обоб-
щаются. Первым шагом в практическом использовании кон-
цепции АСОИ является добавление к буйковой станции ряда
донных станций и далее АНПА, работающих по жесткой про-
грамме.
Метод измерений по событию. Часто возникает необхо-
димость производить детальные измерения лишь в том случае,
когда обнаруживается некоторое событие, представляющее осо-
бый научный интерес. Проектом с такой спецификой является
CONVEX (CONvection Experiment) program. Этот проект связан с
изучением конвективного опрокидывания столба воды (апвел-
линг) в арктических районах, процесса, создающего существен
ное воздействие на глобальные изменения климата, проекте
CONVEX будут исследоваться физические процессы опрокиды-
вания и перемешивания при использовании сочетания моделир
вания и непосредственных измерений. Основным
ным устройством является буйковая станция с гирля
ков температуры и электропроводности, профилогр fivnvT nnu-
течений и донный датчик давления. Хотя в про • “об ^ть
меняться лучшие современные приооры, нево . ений что
всю информацию о неоднородности конвек
19 Аптономные
289
крайне желательно для четкого понимания их формирования.
Это обусловлено тем, что неподвижная гирлянда датчиков хотя п
может зафиксировать образование неоднородностей, по нс
может получить данные об окружающем пространстве,
достаточно детальные, чтобы исчерпывающе охарактеризовать
структуру неоднородностей.
Адаптивный метод. Значение концепции АСОИ заклю-
чается в том, что она позволяет организовать надлежащее прост-
ранственное распределение датчиков в большой области в
районе изучаемого процесса. Наряду с этим датчики могут вы-
полнять измерения синхронно с частотой, наиболее приемлемой
для понимания изучаемого явления. Особенно важно то, что
возможности связи в концепции АСОИ позволяют получать
данные от множества распределенных датчиков АИП. Прихо-
дящие данные подвергаются анализу для проверки того,
насколько корректен режим измерений. Если выясняется, что
параметры, определяющие режим измерений, неудовлетвори-
тельны, параметры корректируются, и датчики группируются
так, чтобы более эффективно получать нужную информацию.
Способность адаптировать стратегию измерений, основанная на
самих полученных данных, возможно, является наиболее важной
особенностью концепции АСОИ. Методы и алгоритмы функ-
ционирования адаптивной системы находятся в настоящее время
в стадии разработки. Когда измерительные сети типа АСОИ
достигнут стадии практического применения, новые стратегии
сбора данных позволят получать информацию в объеме и с ка-
чеством, недостижимыми в настоящее время.
6.2. КОНЦЕПЦИЯ "СОЛНЕЧНОГО" АНПА (САНПА)
Энергетика и автономность АНПА
Ограничение функциональных возможностей АНПА обус-
ловлено главным образом двумя факторами: отсутствием эффе-
ктивной связи и энергоемких источников питания. Связь АНПА,
находящегося под водой, с оператором ограничивается возмож-
ностями гидроакустического канала. Хотя системы гидроакусти-
ческой связи в последние годы достигли высокого совершенства,
возможности этого канала принципиально ограничены физи-
ческими свойствами водной среды. Компенсация этого фактора
происходит за счет развития систем управления с элементами
искусственного интеллекта. Современные источники и накопи-
тели энергии, исключая ядерные и изотопные, обладают низкой
290
удельной энергией. Физические ограничения в данном случае
отсутствуют, и можно рассчитывать на прогресс в этой области
Одним из путей достижения энергетической независимости для
АНПА является использование энергии внешней среды Здесь
имеется несколько возможностей, но мы будем рассматривать
далее лишь одну из них - использование солнечной энергии
Термин "автономность" подразумевает два понятия: дли-
тельность автономной работы и дальность хода. Для возмож-
ности количественных оценок введем термины: продолжи-
тельность, т.е. время Та автономной работы, и дальность хода£)„.
Содержание этих терминов различно для АНПА с внутренним
источником питания и САНПА, черпающим энергию от внеш-
ней среды. Продолжительность и дальность хода АНПА опреде-
ляются для некоторых заранее обусловленных скорости движе-
ния v и энергопотребления аппаратуры управления, измерения и
пр. Очевидно, в этом случае справедливо соотношение
Da=vTa. (6.1)
Для САНПА продолжительность фактически определяется
надежностью аппарата, а формально может быть определена
либо сроком службы, либо периодичностью планового обслужи-
вания. Дальность хода может быть определена суточным пере-
ходом при заранее обусловленных скорости хода и расходе энер-
гии на оборудование для фиксированной величины солнечной
радиации.
Другим важным параметром, характеризующим свойства
любого АНПА, является его масса. Как н для других одно-
типных изделий, например автомобилей, цена и стоимость
эксплуатации АНПА пропорциональны массе.
Теперь попытаемся определить соотношение между рассмот-
ренными параметрами. Введем следующие обозначения^
ша """’°
- масса аппаратуры (система управления, аппа-
ратура пользователя и пр.), кг,
- масса источника питания, например, аккуму-
ляторной батареи (АБ), кг;
— удельная энергия источника питания, Дж/кг,
- средняя мощность аппаратуры без маршевого
- мощность,’ расходуемая на движение аппарата.
Вт;
- общая масса аппарата, кг,
- внешний объем аппарата, м ,
— плотность воды, кг/м-,
тб
е6
М
V
Р
291
р - условная относительная плотность несущей
1 конструкции, величина I - Pi соответствует до-
ле силы плавучести по сравнению с общим ве-
сом погруженного аппарата с объемом V; зна-
чение рх может находится в пределах от 0,2-0,3
для мелководных аппаратов до 0,8-0,9 для
глубоководных;
_ коэффициент сопротивления корпуса аппарата,
отнесенный к Vм;
т)дв - результирующий КПД маршевого двигателя и
гребного винта;
е —энергия, отдаваемая солнечной панелью (СП) в
течение светового дня при некотором заданном
среднем уровне солнечной радиации, Дж/м2;
е6 - удельная энергоемкость АБ, Дж/кг;
Sc - площадь солнечной панели, м2;
Ес = - суточная энергия солнечной панели, Дж;
£6 = -энергия аккумуляторной батареи при полном
заряде, Дж;
К, = Е^ЕС - коэффициент запаса по энергоемкости аккуму-
ляторной батареи;
Кс = SJVv} - коэффициент, определяющий долю поверхнос-
ти солнечной панели;
Kt = PJPv -соотношение между расходом энергии на аппа-
ратуру и на движение;
Пе - энергетический КПД аккумуляторной батареи;
v - скорость хода аппарата, м/с;
Т’а - продолжительность, с;
Тс - время суточного пробега САНПА;
D„ -дальность хода, м;
De - суточный пробег САНПА.
Рассмотрим АНПА с внутренним источником энергии. При
условии нейтральной плавучести справедливы соотношения:
P'z(l-pt) = ma+m6, V = (wia+m6)/p(l-pt). (6.2)
Мощность, расходуемая на движение подводного аппарата,
определяется известной формулой
Ри=(р^/2п„„)\/2/\. (6.3)
энергииМбуду?аЛЬН°СТЬ Х°Да аппаРата’ определяемые запасом
Га - /(Ра + Pv) = (e6m6)/(Pa + рд D = vT^ (6.4)
292
Учитывая формулы (6.2) и (6 „
1 г j можно получить выражение
D = (^e6)[pV(l-pj-mal[Pa +CP^/2Tt„BjV2,3cJ4, (6.5)
которое позволяет вычислить дальность хода при заданных
коэффициентах и параметрах Р заданных
Рассмотрим АНПА с повышенной дальностью хода когда
и6 > та и Р„ > Р.л. В этом случае четко проявляется связь массы
аппарата с его дальностью хода. При принятых условиях будем
иметь.
° = [2р(1 - pt )ебП„в (pf2cx)-' ] V1 /3. (6.6)
Из этого выражения следует, что объем и масса, а значит, и
стоимость аппарата, пропорциональны третьей степени заданной
дальности хода. Масса источника энергии при значительной
дальности хода оказывается преобладающей.
Аналогичные соотношения для САНПА оказываются прин-
ципиально иными [6]. Дальность хода САНПА определяется
средним суточным пробегом при некоторой средней солнечной
радиации. Доступная энергия в этом случае будет равна Т)6 Ес, а
время суточного пробега -
Тс = (Т1Л)/ + Р„) = (ЛЛ Жа + 1)Р0. (6.7)
Площадь СП составляет некоторую часть от общей наруж-
ной поверхности корпуса аппарата, которая при сходных формах
корпуса пропорциональна У273 с коэффициентом Кс, так что EQ -
= e^V212. С учетом (6.3) получим:
D, =(^c/CcV2/3)/(Ka+l)(p^/2n„s)V2/3ct =
= (2есХсТ]лв)/(Ха+l)p^2ct. (6.8)
В этом выражении размеры аппарата полностью отсутст-
вуют, иными словами суточная дальность хода одинакова для
геометрически подобных аппаратов и не зависит от его габари
тов. Это весьма важный обнадеживающий фактор. Действи-
тельно, темпы микроминиатюризации позволяют считать пер
спективным создание малогабаритных и сравнительно дешев .
САНПА. Впрочем, имеется и принципиальное ограниче и
минимальных размеров САНПА, связанное с эффектив
накопления энергии.
Из формулы (6.2) мы можем определить
™a+^=pm-pj. (69)
293
С другой стороны, масса АБ, равная та= обусловлена
необходимостью накопить энергию = КбЕс - т.е.:
Е6 = КбесКсУ213, Hie = [(e,K6Kc)/e(i]V1'. (6.10)
Из этих соотношений можно оценить долю массы А Б от всей
полезной нагрузки аппарата:
/(т, + ^) = (ес /с6 )[(К<Л V2'3) /(1 - Рк )V] =
= (гс/c6)(E6Kc)/pV,/’(! - pt )• (6.11)
Таким образом, доля массы АБ уменьшается пропорцио-
нально росту длины аппарата. Очевидно, что соотношение (6.11)
должно быть меньше единицы, если на аппарате имеется
аппаратура, т.е. та > 0. Условно можно принять, что предельно
малые размеры аппарата соответствуют случаю т„ —> 0. При
этом из (6.11) найдем:
К™ =[(ес/е6МЛ)/Р(1-рХ (6.12)
Интересно оценить эту величину количественно.
Положим: ес = 600 Вт • ч/м2 = 2,16 МДж/м2, К6 = 2, Кс = 2, pt =
= 0,6, что соответствует ориентировочно данным САНПА-
прототипа. Отношение длины прототипа L к величине Vl/3 равно
3,3. Для этих данных по формуле (6.12) рассчитаем минимальные
размеры САНПА при использовании серебряно-цинковых
(е6= 100 Вт - ч/кг= 0,36 МДж/кг) и никель-кадмиевых аккуму-
ляторов (е6 = 30 Вт ч/кг = 0,11 МДж/кг):
еб 1 V, дм3 | L, м | М, кг
0,36 0,216 0,198 0,16
0,11 7,57 0,648 7,57
Эти данные свидетельствуют о том, что использование
эффективных АБ и микроминиатюрной электронной и измери-
тельной аппаратуры позволит в будущем довести массу САНПА
до нескольких килограммов.
Режимы работы САНПА,
спецификационная дальность хода
Режим работы и движения определяются теми реальными
задачами, для решения которых используется аппарат. Можно
считать, что в любом варианте в светлое время суток аппарат
294
должен находиться на поверхности большую часть времени для
зарядки АЬ, уточнения местоположения и радиосвязи с постом
управления и, возможно, совершать эпизодические погружения
и/или целенаправленно двигаться. Темное время суток целесо-
образно использовать для выполнения миссии - двигаться по
маршруту, погружаться, всплывать и выполнять измерения Ох-
ватить всевозможные случаи его применения достаточно трудно
Это существенно затрудняет формулировку и определение ос!
новных спецификационных характеристик самодвижущегося
аппарата: скорости и дальности хода. Дело усложняется неопре-
деленностью доступной энергии, зависящей от географического
положения района работ, времени дня и года, погодных условий.
В то же время знание названных параметров необходимо для
оценки эксплуатационных свойств аппарата при его проекти-
ровании и для сравнения с другими аппаратами.
Задача сводится к введению некоторых фиксированных
номинальных условий, позволяющих расчетным путем и экспе-
риментально определить искомые параметры. Для приближен-
ного расчета можно принять следующие положения:
• считать номинальной энергией суточной солнечной радиа-
ции величину 5 кВтч/м2, характерную для лета в средних
широтах;
• считать, что аппарат движется ночью 12 час.;
• определить энергию, используемую для движения, как ре-
зультат умножения 5 кВтч/м2 на КПД солнечной панели и
энергетический КПД аккумуляторов и вычитания средней
энергии, расходуемой за сутки системой управления и
навигации;
• определять дальность хода и скорость движения, исходя из
условия расхода всей определенной выше энергии при
постоянной скорости за 12 час.
Принятые условия позволяют рассчитывать параметры как
при проектировании, так и по данным натурных изм^™
расхода энергии на аппаратуру и движение, а также п°
ным или измеренным значениям КПД солнечных панелей и
аккумулятора. Воспользуемся формулами ( . ) • коэффи-
энергии на аппаратуру учитывается отдельно, о вь1чис-
циент кс= 0, а величина ее, которую обозначим как е. выч№
ляется исходя из энергии, выделенной на дв
коэффициент
1 (6.13)
А = (2Мд.)(Рс’Г'’
295
можно получить: D = А <Л'2, а подставив г - ПЛ\ из (6.4) -
О = (АГаЧ,)1/\ V = ('Чч/Л)1''- (6.14)
Формулы (6.14) свидетельствуют о довольно слабой зависи-
мости. соответствующей степени 1/3, номинальной дальности
хода от конструктивных параметров, входящих в коэффициент
А и от интенсивности солнечной радиации ес). Если принимать
Г= 12 час, то из этих соотношений можно получить специфи-
кационные значения D и V. Здесь необходимо отметить следую-
щую особенность полученного результата. Задавая время Т, мы
определяем максимальную дальность хода при располагаемой
энергии и оптимальную в этом смысле скорость. Если задавать
скорость, то при ее малой величине будет получена большая
дальность, но и большее время, что может привести к умень-
шению времени зарядки АБ. Увеличение скорости по сравнению
с оптимальной даст меньшую дальность. Заметим, что при
фиксации величины скорости дальность будет пропорциональна
энергии, а не ее кубическому корню, как это имеет место при
задании времени хода.
Оценка доступной солнечной энергии
Ниже рассматриваются наиболее важные соотношения,
влияющие на работу аппарата с питанием от солнечных батарей.
Предварительно необходимо оценить поступление энергии в
различных условиях. Условия освещенности в море изменяются
в широких пределах, поэтому не следует рассчитывать на какие-
либо точные данные, и можно лишь произвести их оценку по
некоторым осредненным данным. Будем использовать данные
Атласа [13] и статьи [14] для северной части Тихого океана
вблизи меридиана 180°. В таблицах 6.1, 6.2, 6.3 приведены зна-
чения среднегодовой инсоляции w в кал/см2 в день:
Таблица 6.1. Среднегодовая инсоляция (по Атласу [13])
ср, град. w, кал/см2 -7,5 438 0 >43 8 25 438 29 34 39 383 328 274 44 219 48 164 50-60 <164
Таблица 6.2. Среднегодовая инсоляция (по статье [14])
<р, град. 20 25 30 35 40 45 50 55
w, кал/см2 421 403 348 275 214 170 137 <120
296
Таблица 6.3. Среднегодовая ннсоляняа г
<р, град. W, кал/см w, кВтч/м2 0 460 5,35 10 465 5,41 20 440 5,12 30 360 4,19 'чрсдненные данные) 40 50 60 70 240 140 130 140 2.79 1,63 1,51 163
Ta—U4a 6'4- Э,1еРгия’ ВЬ|Рабать,веман за день, Вт з/м2 —
Месяц — —
(р.град 1(11) "7 2(Ю) Р 3(9) | 4(8) 5(7)
0 20 30 40 515 367 247 1230 528 391 272 1430 551 454 338 1980 562 522 422 2710 551 575 494 3430 528 600 534 3920 515 605 553 4060
50 450 580 940 1500 (3410) 2090 (2840) 2540 (3970) 2700
60 140 250 630 1280 (2070) 2040 (2430) 2660 (2550) 2910
70 0 0 290 1090 (1990) 2200 (2440) 3260 (2610) 3750
(2060) (2720) (2940) '
Примечание; начало отсчета - день зимнего солнцестояния.
Приведенные данные характеризуют среднегодовое облуче-
ние поверхности океана. Распределение его по месяцам в сред-
нем соответствует теоретическому, пропорциональному sin(A),
где h - высота Солнца. Эта величина рассчитывается по извест-
ной из астрономии формуле:
sin(A) = sincpsinS + coscp cosScosr, </3 = 23,5 sin г,
где t - время суток (0,2 л), г - время года (0,2 л). Интеграл от sinA
при sinA > 0 будет пропорционален облучению в заданное время
года т. Нормируя его величину по значению среднегодового
облучения, можно определить распределение по времени года.
Данные по оценке распределения доступной энергии по
широтам и временам года приведены в табл. 6.4. В тех случаях,
когда длительность светового дня заметно превышает 12 час.,
определена энергия, которую можно получить за это время, эти
значения приведены в скобках.
Временные характеристики солнечного облучения. Сезон-
ные и суточные изменения светового облучения без учета
рассеяния могут быть определены по известным астрономи-
297
ВЕСНА
intk
ЛЕТО
яГ-г-1^1» ^Ь1?г^7,ТК?лЭт1е',ГИИ Г0Ри30птальи0 расположенной солнечной
арееи с КПД - 10% в г. Владивостоке с 20 июли 1995 г. по 19 июля
1996 г., Вт • ч/м2 день
298
ческим формулам, однако рассеяние и поглощение света атмо-
сферой вносят существенные изменения, и оказывается целесо-
образным использовать экспериментальные данные. Доступные
данные, как правило, содержат величины, осредненные за значи-
тельный период времени. Поэтому в ИПМТ были проведены в
течение года измерения энергии, ежедневно вырабатываемой
горизонтально расположенным солнечным элементом. Это
позволило хотя бы ориентировочно оценить закономерности,
присущие данному процессу. На рис. 6.3 представлены гисто-
граммы и записи суточной энергии в Вт ч/м2, вырабатываемой
горизонтально расположенным преобразователем с КПД = 10%
в г. Владивостоке.
Записи обработаны по сезонам по 100 суток с небольшим
Перекрытием. На рис. 6.4 показаны также примеры изменения
радиации в пределах светового дня.
Разумеется, диапазон вариаций солнечной энергии для
разных географических точек и в разные годы достаточно
Широк, и замеры в одной из таких точек за определенное время
(июль 1995 - июль 1996) являются лишь примером. Необходимо,
однако, отметить следующее. Во-первых, данные по средним
значениям облучения в различных районах океанов доступны.
Во-вторых, исходя из общих соображений и судя по нашим
записям, можно считать, что крайние случаи распределения - это
равномерное от нуля до максимума и, по-видимому, для хорошей
299
устойчивой погоды - очень узкое, которое для просимы можно
считать тоже равномерным, охватывающим средние значения.
Наконец следует полагать, что система управления распреде-
пением энергии должна быть работоспособной в самых разно-
образных условиях, поэтому при ее проектировании нельзя ори-
ентироваться на конкретные реализации, если аппарат нс пред-
назначен для эксплуатации в каком-то определенном рапоне.
При оценке количества доступной энергии необходимо
учитывать следующие два фактора: влияние морского волнения
и биологическое обрастание СП. Эти явления исследовались
экспериментально в работе [10].
Управление распределением энергии. Задачи управления в
основном можно определить следующим образом:
• утилизация всей энергии, получаемой от СП;
• достижение максимальной дальности хода аппарата;
• обеспечение некоторого резерва энергии на случай затяж-
ной пасмурной погоды.
Все эти задачи легко решаются, если не вводить ограничения
на емкость АБ. Действительно, если расход энергии поддержи-
вается на среднем уровне, то обеспечивается максимальная по
средней энергии дальность хода аппарата. Однако емкость АБ
должна быть достаточно большой, чтобы обеспечивать резерв
энергии на период плохой погоды и иметь резерв емкости,
обеспечивающий дополнительное накопление энергии при ясной
погоде. Здесь следует напомнить, что доля АБ в общей массе
аппарата уменьшается с ее увеличением. Поэтому для крупных
аппаратов с массой 500-1000 кг, вероятно, такой путь является
вполне приемлемым. Для малогабаритных аппаратов масса АБ
становится соизмеримой с массой аппарата, и увеличение массы
АБ приводит к повышению стоимости аппарата.
Рассматривая эксплуатационные показатели аппарата, зада-
чу можно сформулировать следующим образом. При небольшой
емкости батареи, очевидно, работа аппарата окажется неравно-
мерной, зависящей от фактического дневного поступления
энергии, а при увеличенной емкости возможно осреднение энер-
гии и более равномерный график работы. Тем не менее в обоих
случаях в среднем будет использоваться одно и то же количество
энергии за все время выполнения миссии. Возникают вопросы -
будет ли выполнен тот же объем работ и будет ли пройден тот
же маршрут? На первый вопрос можно ответить, лишь зная
характер миссии; второй вопрос разрешается сравнительно
просто, если принять равномерный закон распределения вели-
чины радиации. Рассмотрим наиболее тяжелый случай - равно-
300
мерное распределение в пределах от е - о „„
значении М(е) = 0,5етах, Где М(х7- , х до при сРеднем
аргумента х. Как следует из (6.14) пап1.и^УНКЦИЯ осРеднения
нальна кубическому корню из еСпепняя СТЬ Х°Да пропорйио'
зовании батареи большойемкостиПРИ ™b-
кубическому корню от среднего значения примой
емкости - пропорциональна М(е^ т.е. среднему значению S
кубического корня. Для равномерного распределения М(“) = 0 5
и [М(е)] - 0,793; величина М(е^) = 3/4. Отсюда потеря даль-
Н°еСт О 7оТаХМеРНОСТИ РаДИаЦИй В Х*дшем случае"состав-
ляет 0,75/0,793 - 0,94, т.е. всего лишь 6%.
Таким образом, возможны два предельных варианта управ-
ления расходом энергии: при достаточно большой энергоем-
кости АБ (порядка 4етах) расход энергии поддерживается равным
среднему для района и времени года значению е; во втором
варианте — при АБ с емкостью не менее егаах каждую ночь
расходуется ровно столько энергии, сколько ее было накоплено
за день.
Заметим, что использование среднего значения статисти-
ческих данных для района работы аппарата и ненадежно, и
достаточно сложно, так как эти данные нужно хранить в памяти
аппарата. Поэтому целесообразно выполнять осреднение данных
о предыдущих днях, накапливаемых при работе аппарата.
Рассмотренные выше задачи более подробно изложены в [7].
Применение двухсекционной аккумуляторной батареи. Вы-
ше уже говорилось о том, что для эффективной работы
аккумуляторной батареи необходим определенный характер
заряд-разрядных циклов. С одной стороны, для улучшения отда-
чи аккумуляторов циклы должны быть частичными (20-80%
емкости), а с другой - для исключения вредного влияния па-
мяти" время от времени необходимо осуществлять предельные
режимы.
При применении единственной аккумуляторной батареи в
нормальном режиме работы аппарата текущее значение ее
заряда будет случайным и распределенным между ЕЬтт (резерв-
ный запас) и максимальной емкостью. Вследствие изменчивости
Ес будут обеспечиваться частичные заряд-разрядные циклы, хотя
при устойчиво солнечной погоде они будут достаточно регуляр
ними. Для осуществления полных зарядки и разрядки, очевидно,
потребуется эпизодическое прерывание нормального режима
работы аппарата.
Использование многосекционной, в частности,
ной АБ позволяет решить задачу надлежащего
двухсекцион-
управления
301
заряд-разрядным процессом п повысить надежность системы
энергоснабжения аппарата, работоспособность которого сохра-
нится при выходе из строя одной секции. Вариант программы
управления зарядом двухсекционной АБ поясняется ниже.
Секции АБ коммутируются так, что одна из них подклю-
чается к нагрузке и обеспечивает питание систем аппарата,
вторая подключается к конвертеру СП, и в светлое время дня
происходит ее зарядка. Переключение секции производится при
условии: "или секция, подключенная к нагрузке, полностью
разрядилась или секция, подключенная к СП, достигла полного
заряда" В случае, если обе секции оказались разряженными
настолько, что общий заряд опустился до величины резервного
запаса, система управления переходит в пассивный режим мини-
мального расхода энергии. Этот режим сохраняется до тех пор,
когда секция, оказавшаяся подключенной к СП, будет полностью
заряжена или процесс зарядки прекратится из-за захода солнца.
Такой алгоритм обеспечивает эпизодически полный заряд и
разряд каждой секции и в остальных случаях - случайно
распределенные частичные циклы.
Механизм накопления и расходования энергии в САНПА
оказывается достаточно специфическим вследствие случайного
характера поступления энергии. Разумеется, учет целевого на-
значения аппарата и соответствующих программ выполнения ре-
альных задач вместе с накоплением экспериментальных данных
позволят найти иные, возможно, более эффективные решения.
6.3. ПРОТОТИП САНПА,
РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРВИЧНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Общее описание аппарата
Конструктивная схема и перечень основных характеристик
аппарата приведены на рис. 6.5. Особенности формы и конструк-
ции аппарата обусловлены необходимостью разместить на его
верхней поверхности солнечные панели возможно большей
площади. Поэтому аппарат имеет в верхней части элемент кон-
струкции в форме крыла, который в дальнейшем описании будет
фигурировать как крыло. В передней части крыла сверху
закреплена стойка, внутри которой расположена антенна радио-
J*311’ Э навеРхУ " антенна GPS. Крыло выполнено из синтактика,
пенк^НН0Г0 стеклотканью- На его внешней поверхности закреп-
«ень! две солнечных панели MSX-30 фирмы Solarex. В кормовой
крыла установлен закрылок, используемый для управле-
302
рабочая глубина
дневной пробег
размеры
масса
Электрические:
1000м
20-50 км
1,8x0,73x0.31 м
90 кг
солнечные панели 2 х MSX-30, S = 2 х 0.25 ч2. КПД - 10%
никель-кадмиевый аккумулятор - 36 элементов, 11 Ач
системы управления энергоснабжения
Оборудование:
система управления и навигации
система радиосвязи
датчики температуры и солености
движитель, 15 Вт
приводы руля и закрылка
Рис. 6.5. Конструктивная схема и основные характеристики САНПА
ния движением аппарата по вертикали. Привод закрылка распо-
ложен в теле крыла. По бокам крыла закреплены два верти-
кальных стабилизатора. Для размещения аппаратуры управле-
ния, двигателя и прочего оборудования необходимо иметь часть
корпуса более или менее традиционной формы. Собственно
корпус аппарата, располагающийся под крылом, состоит из трех
частей: кормового блока, выполненного из синтактика, и
основного съемного обтекателя из стеклопластика с полусфери
ческой носовой частью.
303
Рис. 6.6. Структурная блок-схема системы управления аппаратом
Кормовой блок крепится снизу к крылу и объединяет руль с
приводом, маршевый двигатель и гребной винт. Внутри среднего
обтекателя размещаются прочный корпус, также закрепленный
на крыле, компенсаторы давления, соединительные кабели и ряд
других вспомогательных узлов. В прочном корпусе размещаются
аккумуляторная батарея и электронный блок управления со
своими датчиками. Основой системы управления аппаратом (рис.
6.6) является автопилот, который принимает программу работы
от внешнего пульта, обеспечивает ее выполнение при работе
аппарата, собирает и запоминает данные о реализации програм-
мы и данные производимых измерений.
Блок управления приводами формирует напряжения на
маршевый двигатель и двигатели приводов руля и закрылка. В
приводах используются синхронные двигатели с постоянными
магнитами типа ДБМ-120 для гребного винта и ДБМ-50 в
приводах управляющих плоскостей. Блок управления энерго-
обеспечением контролирует состояние аккумуляторной батареи,
при ее зарядке от солнечных панелей обеспечивает режим
максимальной отдачи мощности в зависимости от интенсивности
солнечной радиации и регулирует через автопилот режимы
работы аппарата так, чтобы использование энергии аккумуля-
тора соответствовало ее запасу, а остаточный запас энергии не
снижался ниже необходимого резерва. В качестве внешнего
пульта используется персональный компьютер. На нем форми-
руется программа работы аппарата и производится считывание и
запоминание данных после выполнения программы. Связь с
аппаратом за бортом осуществляется через радиомодемы, обес-
печивающие дальность до одного километра.
304
Технический анализ САНПА
Гидростатика. Для многих обычных автономных подводных
аппаратов пребывание на поверхности моря является кратко-
временной операцией. Для аппарата, использующего солнечную
радиацию для получения энергии, этот режим является рабочим
и требующим детального изучения. Как упоминалось выше,
аппарат должен обладать на поверхности достаточной плаву-
честью и абсолютной остойчивостью. Использование на
САНПА каких-либо активных устройств для регулирования его
плавучести, разумеется, возможно, но крайне нежелательно, так
как требует расхода энергии и усложняет конструкцию аппарата.
Мы будем рассматривать работу аппарата в океане с более или
менее устойчивым значением плотности воды. Для аппарата с
массой 90 кг необходимо иметь на поверхности плавучесть
порядка 15-20 Н. Для управления в погруженном положении
желательна нейтральная плавучесть, хотя с точки зрения обеспе-
чения живучести аппарата необходима гарантированная положи-
тельная плавучесть на любой рабочей глубине. Использование
на малогабаритном аппарате сбрасываемого аварийного баллас-
та вряд ли целесообразно. Исходя из перечисленных соображе-
ний было принято решение установить на аппарате эластичную
газозаполненную емкость. Она придает избыточную плавучесть,
когда аппарат находится на поверхности, а при погружении
плавучесть убывает за счет сжатия газа и не создает затруднений
для управления аппаратом. Результаты расчета плавучести аппа-
рата приведены на рис. 6.7. Рассмотрены два крайних случая -
сравнительно холодная вода северных широт и теплая в эквато-
риальных водах, показанная на рисунке.
Провал значения плавучести обусловлен приповерхностным
слоем теплой воды в тропиках. Приведенные графики подтверж
дают возможность решения задачи без использования активных
балластных устройств.
Рис, 6.7. Зависимость плавучести
Q, Н от глубины Л, м
Й1 - плавучесть корпуса, Qz -
плавучесть эластичного баллона,
Qi - суммарная плавучесть
20 Автономные
305
Рис. 6.8. Положение кип jiijcroii-
чппого равновесии ишшрата
Поскольку САНПА прсд-
назначен для длительной рабо-
/vSry ты в океане, анализ воздействия
J морского волнения на него
fsZ' 'СЧлС имеет первостепенное значение.
__________________________Поведение САНПА на зыби и
умеренном морском волнении может быть оценено без особых
затруднений, так как частота килевой и бортовой качки много
выше частот спектра волнения. Корпус аппарата почти пол-
ностью погружен в воду, поэтому его движения практически
будут совпадать с движением вытесненной им воды. Наиболее
опасная ситуация связана с попаданием аппарата на разрушаю-
щийся гребень волны. Анализ такой ситуации применительно к
нашему случаю вряд ли имеется в литературе по мореходным
свойствам судов. Единственное, что представляется очевидным в
такой ситуации, - это возможность опрокидывания аппарата.
Поэтому аппарат должен возвращаться в исходное положение из
любого другого, т.е. иметь абсолютную поперечную остойчи-
вость. Специфическая форма аппарата допускает возможность
устойчивого равновесия в перевернутом положении, как это
показано на рис. 6.8. Разумеется, за счет создания значительного
восстанавливающего момента этого всегда можно избежать.
Однако для управления движением аппарата по вертикали
избыточный момент остойчивости может потребовать излишне-
го расхода энергии.
Ситуация была изучена применительно к конкретной форме
аппарата-прототипа. Момент остойчивости силы тяжести, необ-
ходимый для достижения абсолютной остойчивости, оказы-
вается вполне приемлемым для управления движением.
Гидродинамика. Необходимость иметь солнечные панели
достаточно большой площади обусловливает, как уже говори-
лось, специфический подход к выбору формы САНПА. Океан -
не космос, и применять раскладывающиеся солнечные панели
весьма проблематично, если вообще возможно. Поэтому воз-
никает необходимость выбора такой формы корпуса аппарата,
чтобы максимально увеличить площадь его верхней поверх-
ности. В предположении, что большая часть энергии расходуется
на движение аппарата, качество формы можно определить как
отношение k= SlcsV , где S- площадь солнечных панелей, с\-
коэффициент сопротивления корпуса аппарата, V- его наруж-
306
ныи объем 16]. Легко понять, что наилучшей в этом смысле
формой обладает крыло, однако необходимость размещения
аппаратуры заставляет отыскивать компромиссное решение и
добавлять к крылу корпус обтекаемой формы. Это, естественно
увеличивает сопротивление и снижает коэффициент формы Для
обтекаемого крыла этот коэффициент равен 150-200 В нашем
случае доля корпуса в общем объеме аппарата значительна и
коэффициент формы оценивается величиной 45-50 Поскольку
дальность хода пропорциональна Vя, снижение ее в данном
случае составляет всего 30%, что можно считать приемлемым
Другой фактор, заслуживающий внимания, - это гидро-
динамические характеристики корпуса, определяющие управляе-
мость аппарата. При движении в вертикальной плоскости
решающую роль играет крыло. Известно, что у крыла малого
удлинения точка приложения подъемной силы располагается
очень близко к ведущей кромке крыла. Это снижает устойчи-
вость движения, хотя повышенные демпфирующие свойства
крыла ослабляют этот эффект. В принципе устойчивость движе-
ния аппарата может быть обеспечена за счет применения надле
жащих алгоритмов управления. В этом случае, однако, будет
повышена активность управляющих механизмов и увеличится
потребление энергии, что нежелательно. При маневрировании
аппарата в горизонтальной плоскости крыло оказывает слабое
влияние. Устойчивость движения обеспечивается двумя вер-
тикальными стабилизаторами, закрепленными в кормовой
части крыла. Трехмерное маневрирование аппарата на данной
стадии работ детально не рассматривалось. При разработке
формы корпуса аппарата использовались известные расчет-
ные методы и результаты продувки моделей в аэродинамичес-
кой трубе.
Энергетика. Ходовые качества обычного АНПА опреде-
ляются емкостью источника энергии и выражаются либо даль
ностью хода, либо продолжительностью работы аппарата. Для
САНПА, очевидно, следует применять другой критерий - даль-
ность хода на суточном запасе энергии. Из-за низкого
(-10%) фотопреобразователей и ограниченной солнечно!
радиации в средних широтах, особенно в зимнее время, 3®Д
эффективного преобразования и использования Р
солнечных панелей является для САНПА одно из '
При разработке аппарата-прототипа принимал^ ДО^пные
меры для снижения энергозатрат. Тем не менее оощийкоэффи
циент преобразования солнечной‘ 3"JP™^e£отопреобразо-
мую на движение аппарата, даже без учета к ат
307
0.90
0.75
0,90
0.67
0,60
0,24
всего 2,5%!
i? В настоя-
вателей оказывается весьма малым - около 25%. Приведем
значения КПД при поэтапном преобразовании энергии (%):
преобразователь тока солнечных панелей 0
энергетический КПД аккумуляторной батареи (
преобразователь блока управления двигателем (
двигатель '
гребной винт
результирующий КПД *
Если учесть КПД фотопреобразователя, получим i
Каковы же перспективы улучшения этого показателя'
щее время существуют фотопреобразователи с КПД около 20%.
Вероятно, в ближайшие годы они будут освоены промышлен-
ностью н станут доступны. Совершенствование полупроводни-
ковых приборов, возможно, позволит поднять КПД преобразо-
вателей с 0,90 до 0,95. Для более крупных САНПА с большей
мощностью двигателя можно принять его КПД равным 0,8. По-
видимому, такой же КПД можно получить, если будет раз-
работан специализированный маломощный электродвигатель.
Наконец, КПД гребного винта можно повысить до 0,7, если
использовать узкие н тонкие лопасти с большим удлинением.
Следует, однако, помнить, что винт САНПА должен иметь фор-
му, препятствующую захвату водорослей и пр. При принятых
оптимистических оценках можно рассчитывать на достижение в
будущем общего КПД порядка 8%>, т.е. увеличение его примерно
в 3 раза. Это, впрочем, позволит увеличить дальность хода всего
в 31/3 - 1,5 раза.
Теперь учтем потребление энергии аппаратурой. В режиме
дрейфа на поверхности система управления потребляет лишь 30
мВт. В активном режиме добавляется 500 мВт при включении
блоков управления маршевым движителем и приводами рулей.
Будем считать, что аппарат 12 час дрейфует на поверхности и
12 час движется. Расчеты произведем для двух условий радиации:
1000 и 4000 Втч/м2 в день, характерных для зимы и лета в
средних широтах (40-45°). При площади солнечных панелей
0,3 м и КПД 10% доступная энергия составит 50 и 200 Втч. С
учетом КПД преобразователя и аккумуляторной батареи нако-
пленная ею энергия составит 34 и 135 Втч соответственно.
В дневное время расход энергии на систему управления будет
0,03 • 12 = 0,36 Втч. Связь н GPS прн включении будут
потре лять около 10 Вт. При общем времени работы (скажем,
0 мин) это даст 1,7 Втч. В результате для работы в ночное
ремя остается 32 Втч и 133 Втч. Далее расчеты произво-
308
1пблШ1'а 6-5- Расчетная дальность хода САНПА Л ’• Зима 1 1- | Лето
V’M,C 1 °’км | а.м/с D|[M :
’ °'61 17’6 1.02 29 46 6 °'70 15,1 1,12 2J2
дились с учетом зависимости КПД двигателя от режима работы
и для коэффициента сопротивления, равного 0,05.
Данные по дальности хода D аппарата и’ скорости в зави-
симости от времени движения приведены в табл. 6.5.
Навигация, датчики, связь. Для определения места аппарата
на поверхности используется GPS. В подводном положении
производится счисление пути, для чего используются данные о
частоте вращения гребного винта и показания феррозондового
компаса, датчиков дифферента и глубины. Поскольку испытания
аппарата могут производиться на небольших глубинах, для
безопасности установлен эхолот. Кроме того, имеется гидро-
акустический излучатель малой мощности для слежения за
аппаратом с обеспечивающего судна. На аппарате установлен
двухкомпонентный датчик угловых и линейных колебаний по
крену и дифференту. Для связи с обеспечивающим судном ис-
пользуются УКВ-радиомодемы, обеспечивающие связь на
небольших расстояниях. Предполагается, что на начальной
стадии испытаний судно будет сопровождать аппарат, сохраняя
акустический или радиоконтакт. Океанологическая измеритель-
ная аппаратура может быть представлена датчиками темпера-
туры, электропроводности и глубины.
Результаты оценочных морских испытаний прототипа
САНПА. В ходе испытаний прототипа САНПА преследовались
следующие цели: д
• проверка работоспособности, отладка и доводка устро ств
и систем аппарата;
• оценка гидродинамических характеристик и сопост
их с расчетными данными; __ .
• оценка поведения аппарата на волнении на ходу и "Р
фе, в частности, заливания верхней повеРхн° „адноУСТ-
его влияния на работу солнечных пане , Р
ройств.
309
Рнс. 6.9. Переходный нроцесс прн управлении в горизонтальной
нлоскостп
а) - эксперимент; 6) - расчет; <р - угол курса, СО - угловая скорость,
5 - угол перекладки закрылка
В целом требовалось проверить реализацию основных пока-
зателей, подтверждающих возможность использования САНПА
для проведения измерений и сбора информации, необходи-
мых для океанологических исследований и мониторинга океанов
и морей.
Испытания проводились летом 1998 г. с борта маломерного
научно-исследовательского судна в районе с глубинами 10-30 м в
заливе Петра Великого, вблизи г. Владивостока. Было сделано в
общей сложности 48 запусков аппарата.
Скорость хода. На ранней стадии испытаний после балла-
стировки аппарата производилось измерение скорости движения
и мощности, потребляемой маршевым двигателем. При скорости
и = 0,4 м/с и скорости вращения двигателя п = 420 об/мин = 7 об/с,
потребляемая мощность оказалась равной 5,1 Вт. Эти данные
совместно с характеристиками винта и маршевого двигателя
позволили произвести оценку коэффициента сопротивления
корпуса аппарата, величина которого, приведенная к Vй3, оказа-
лась равной 0,16—0,17, что существенно превысило ожидаемую
величину. Это, вероятно, было обусловлено недостаточно глад-
кой поверхностью корпуса, наличием выступающих частей и
неоптимальной формой профиля крыла. При таком коэффи-
циенте сопротивления гребной винт оказался недостаточно
эффективным, и при располагаемой мощности преобразователя
маршевого двигателя наибольшая скорость составила 0,4 м/с.
Движение в горизонтальной плоскости. Проверка и отладка
канала управления в горизонтальной плоскости производилась
сначала на поверхности и затем при погружении. Работа была
завершена выбором коэффициентов управления, которые оказа-
лись близки расчетным. На рис. 6.9 для сравнения приведены
310
графики переходного пронесся пл
ным данным. При сопоставлении naHHbixPMone™bHb'M " расчет‘
риментом были откоррсктипоп-iut делирования с экспе-
расчстные гидродинамические коэффициент™™ "РеДеЛаХ
приведенных графиков, результаты моделирования достаточно
точно соответствуют реальному процессуР В целомотладаа
курсового канала не вызывала каких-либо затруднений и при
последующих запусках аппарата система работала надежно
Движение в вертикальной плоскости. Основная трудность
при выполнении испытаний канала управления движением в
вертикальной плоскости была обусловлена низкой скоростью
аппарата. При малой скорости движения, наличии избыточной
плавучести (И Н) и момента остойчивости (12 6 Нм) для
погружения необходимы значительные углы закрылка и углы
атаки. Обусловленное этим дополнительное сопротивление
вызывает дальнейшее уменьшение скорости при фиксированной
частоте вращения гребного винта.
Можно считать, что приемлемые параметры процесса пог-
ружения, т.е. умеренные значения отклонения закрылка и угла
атаки достигаются при скорости движения аппарата не меньшей,
чем 0,5 м/с. Процесс всплытия, благодаря наличию положитель-
ной плавучести, наоборот, облегчается. Как показывают рас-
четы, при всплытии с углом траектории более 12° возможно
всплытие с отключенным маршевым двигателем при скорости
около 0,6-0,8 м/с. Таким образом, дополнительный расход энер-
гии при погружении компенсируется при всплытии аппарата.
На рис. 6.10 дано сопоставление экспериментальных и
расчетных данных процессов погружения и всплытия на глубину
10 м. В табл. 6.6 приведены основные параметры этих режимов.
Малая скорость движения аппарата во время испытаний
заставила обратить внимание на особенности погружения и
всплытия, исследовать эти процессы более внимательно и рас-
смотреть возможности снижения расхода энергии на погружение
и всплытие. В этом отношении наиболее интересен процесс
всплытия, когда используется накопленная потенциальная энер-
гия положительной плавучести.
Параметры установившегося движения при всплытии оез
использования движителя легко рассчитать из условия, когда
сила сопротивления равна проекции силы плавучести на направ
ление траектории движения. При малых углах наклона тра
тории величина Psin0 мала, и планирование оказывается нево
можным. Для наших данных минимальный угол, ^“^Р™
возможно планирование, составляет 0 12 .
311
10
Рис. 6.10. Переходный процесс при изменении глубины
а - эксперимент, б - расчет; Л - глубина, у - Дифферент, 6 - угол пере-
кладки закрылка
планирование возможно лишь при 0 12°, и режим свободного
всплытия должен быть инициирован управлением при работаю-
щем движителе и доведением параметров движения до величин,
соответствующих стационарному режиму свободного всплытия.
Сопоставление расчетных данных с экспериментальными
подтверждает удовлетворительную точность расчетов динамики
движения аппарата, что позволило провести в дальнейшем не-
обходимые модификации.
Влияние качки и заливания СП и ее биологического
обрастания. Особенностью функционирования САНПА являет-
ся то, что аппарат должен находиться на поверхности в светлое
время суток, т.е. примерно половину всего времени работы. В
этот период времени аппарат может находиться в дрейфе или
двигаться по заданной программе. Рабочими функциями аппа-
рата являются в первую очередь зарядка аккумуляторов, опреде-
ление места с помощью GPS и связь с пользователем по радио-
Таблицаб.б. Параметры погружения и всплытия прототипа САНПА
Эксперимент Расчет
погружение | всплытие погружение | всплытие
S 16,0 6,0 0,023 0Д75 0 4,11 23,0 8. град - угол перекладки закрылка, м/с — вертикальная скорость, 6, град - угол траектории. 16,0 10,0 0,025 0,27 4.45 31,6
312
каналу. Разумеется, возможно пооичпг.п,,^,
НЫХ гидрометеорологических параметров, нТпр^р ^мпе'
ратур воздуха и поверхностных слоев водь,, солнечной радиации
и многих других величин. Во всех этих случаях, а также для
качестваКИВУЧеСТИ Не°бХ°ДИМ° ЗНатЬ еГ°
Kd ЧСС1Dd.
Малые по сравнению с волнами размеры аппарата, с одной
стороны, являются положительным фактором. Хорошо извест
но, что закупоренная бутылка - это исключительно надежное
плавсредство . С другой стороны, весьма вероятно, что на силь-
ном волнении при обрушивающихся гребнях волн аппарат может
оказаться в перевернутом положении. Поэтому он должен обла-
дать абсолютной остойчивостью. Это предусмотрено конструк-
цией аппарата. При испытаниях было проверено, что аппарат
возвращается в исходное положение из произвольного на-
чального.
Специфическая форма аппарата, имеющего крыло с солнеч-
ными панелями, обеспечивает интенсивное демпфирование
качки. Благодаря малым размерам и высокой частоте собствен-
ных колебаний аппарат практически следует склону волны, угль
которого при развитом морском волнении и достаточной глу-
бине моря, как правило, невелики. Измерения колебаний аппа-
рата на волне производились попутно с другими измерениямг
при волнении от 0 до 2-3 баллов. Исходя из полученных данны?
и визуальной оценки колебаний аппарата, можно подтвердить
что он отслеживает угол склона волны, совершая небольшие пс
величине собственные колебания. Находясь в дрейфе, annapai
под воздействием волнения ориентируется продольной осью, е
основном перпендикулярно гребням волн как навстречу, так и пс
волне. Неожиданный, хотя и легко объяснимый эффект
проявился в виде своеобразного скопления воды посередине
палубы и образования вертикальных всплесков. В самом деле,
если, например, быстро погрузить плавающий на поверхности
диск, то потоки жидкости на его поверхности будут направлены
к центру, где и образуется вертикальный всплеск. Поскольку
палуба САНПА практически не выступает над повеР*н°5"’ ’
вертикальная качка аппарата приводит к возникновенп
явления. Образование подобного движения воды ‘
обычной формы, находящимся вблизи °т п°в Р
волнении, обосновано в работе [18]. На рис. • Р Следует
телевизионной съемки, иллюстрирующи эт0 существенно
отметить, что отмеченный эффект не сказыв У
на приеме солнечной энергии панелями.
313
Рис. 6.11. Образование всплеска над солнечной панелью при волнении
Влияние волнения на прием солнечной энергии детально
исследовалось AUSI [10]. В проведенном эксперименте исполь-
зовались две однотипных СП Solarex MSX30L. Одна из них уста-
навливалась на макете САНПА, который находился в море на
расстоянии 3-4 миль от Портсмута, NH.
Вторая панель устанавливалась на берегу и служила для
сравнения. Ввиду чувствительности кремниевых фотопреобразо-
вателей к температуре она измерялась на каждой СП и данные
соответственно корректировались. Измерения проводились при
волнении 1, 2 и 3 балла. Снижение энергоотдачи из-за качки и
заливания панели оценивается величиной около 10% при пере-
ходе от одного балла к двум и 20% при трех баллах. Интересно
отметить, что охлаждение морской водой, обусловленное
заливанием панели, давало выигрыш по сравнению с береговым
преобразователем порядка 20%.
В ходе испытаний, проведенных ИПМТ, было выполнено
измерение параметров работы преобразователя, отслеживаю-
щего максимальную отдачу солнечной панели. При работе на
берегу КПД преобразователя при переменных условиях осве-
щения поддерживается в пределах 87-92%. Были также прове-
дены измерения при погружении аппарата до глубины 2,5 м. Ток,
отдаваемый солнечной панелью на глубине 1,5-2,5 м, составлял
40-50% от тока на поверхности.
При испытаниях также проверялась работа приемника
спутниковой навигационной системы GPS. Плоская антенна
фирмы Ashtech помещается в герметичный корпус с колпаком из
314
плексигласа. Антенна установлена в
высоте 30-50 мм от поверхности воды На воп 3C™ аПпаРата на
НО, происходит ^пизодическое 7лива?ис ко'еНИИ’еСТеСТВеН’
Проверка работы GPS производилась „а волнении до г™лов
: записью состояния приемника и отсчетов кооппиият п„
3PS периодически отключался от питания, а после его подачи
регистрировалось время от момента включения до момента
когда приемник выдает обновленные данные. На тихой воде
этот процесс занимает 40-70 с, при волнении 2-3 балла его дли-
тельность увеличивается до 150-190 с. Хотя такие результаты
представляются вполне приемлемыми, оказалось целесооб-
разным увеличить высоту расположения антенны.
В AUSI был проведен эксперимент по оценке биологи-
ческого обрастания СП [10]. Работы выполнялись под руковод-
ством Эдвина Гросхольца (Edwin D. Grosholz), профессора
зоологического факультета Нью-Хэмпширского университета.
Использовались две СП фирмы Solarex (MSX5L и MSX5); первая
из них имеет покрытие из тедлара (поливинил-флюорид),
вторая - из закаленного стекла. Панели были установлены на
общей платформе в летнее время на небольшой глубине в гавани
Береговой охраны вблизи от Ньюкастла, NH. Через 18 дней
пребывания в воде обрастание поверхности СП достигло 40%, а
отдача энергии снизилась до 80%. После 30-дневной выдержки
эти показатели оказались соответственно равными 70% и 30%.
Понятно, что условия эксперимента максимально тяжелые.
Например, СП этой же фирмы на упоминавшемся затонувшем
буе после годового пребывания в воде оказался в лучшем
состоянии. Кроме того, САНПА большую часть времени будет
находиться в движении, что должно снизить скорость обраста-
ния. Тем не менее этот вопрос требует дальнейшего исследо-
вания и, вероятно, разработки средств для предотвращения или
снижения скорости обрастания.
Усовершенствованная система управления САНПА
и результаты испытаний аппарата
на длительную работу
Ниже рассмотрены результаты модернизации_
САНПА и его испытаний в заливе Петра Вели^ в период
2000-2001 гг. САНПА является совместной Pa3Pa®°TK° ых
ИПМТ ДВО РАН. Он предназначен для проведения д
многосуточных океанографических измерены дически
цессе выполнения программы-задания аппар р
315
всплывает на поверхность для осуществления связи с оператором
посредством спутниковой системы связи Oceanographic Data Lmk
(ODD। Г19] н сети Интернет для передачи накопленных данных и
возможной модификации программы-задания^ Предельная рабо-
чая глубина погружения САНПА равна 1000 м, а время непре-
рывной работы не ограничено. В ночное время аппарат выпол-
няет активную часть программы-задания, а в светлое время он
всплывает на поверхность для зарядки аккумуляторов от распо-
ложенных на нем солнечных панелей. Находясь на поверхности,
аппарат определяет своп координаты с помощью GPS. Суточный
пробег аппарата в средних широтах составляет (МО км и зависит
от солнечного излучения. Ниже описана модифицированная
структура САНПА и приведены результаты выполнения про-
граммы-задания длительностью трое суток.
Модифицированная система управления САНПА. Преды-
дущая версия системы управления аппарата была разработана на
базе набора микроконтроллеров, и программирование миссии
осуществлялось посредством специализированного машинного
языка низкого уровня. Операционная система на борту аппарата
ие использовалась. Небольшие вычислительные мощности
примененных микроконтроллеров затрудняли реализацию в
системе управления удобного языка программирования миссий и
развитие других систем, необходимых для надежной работы
аппарата.
Усовершенствование системы управления САНПА заклю-
чалось в установке компьютера и организации управления на
основе операционной системы реального времени QNX. Требо-
валось также сделать доступным для квалифицированного пот-
ребителя формирование и ввод в аппарат программы-задания на
языке высокого уровня, обеспечить возможность повышения
интеллекта системы управления и упростить наращивание
структуры аппарата при установке дополнительных устройств.
Текущая версия системы управления включает экономичный
промышленный PC-совместимый компьютер Epson и набор
микроконтроллеров, связанных между собой сетью на основе
последовательного канала обмена RS-485 (рис. 6.12). Пунктиром
на рисунке отмечены подсистемы, которые находились в стадии
дора отки. Связь бортового компьютера с компьютером опера-
тора осуществляется с помощью радио или акустического моде-
мов. ри этом используются сетевые возможности операцион-
ной системы QNX. н
Одной из основных задач бортового компьютера является
выполнение введенной перед началом работы программы-
316
Satellite
Рис. 6.12. Функциональная схема САНПА
I Bridge I | RS232-RS48S | 4.S-232 | RS-232 | Coml | | Coui2 | On-board PC compatible computer | | | RS232^RS4«5 | | RS232-RS4B5 | | RS232-RS-M51 I RS-232 | RS-2.32 £___ 1 Main Thruster, Flap J .» ] • OCR-S07R ] OCR-5071 j 1 ind Rudder Thrusters »“<•“"« j J Irradiance J . Control Syslem J ! ! J !
задания (или миссии). Миссия состоит из последовательности
команд высокого уровня, структура и состав которых описаны
более подробно в гл. 2. Каждая команда предназначена для
выполнения определенной операции, понятной пользователю
аппарата. , .
Имеются три группы команд высокого уровня (или функ-
ций). Первая группа предназначена для программирования тра-
ектории движения САНПА. Вторая группа команд используется
для управления устройствами, расположенными па борту
аппарата. Функции третьей группы обеспечивают доступ из
программы-задания к параметрам движения и сенсорным дан-
ным, хранящимся в специализированной области памяти, назван-
ной общей памятью. Также имеются средства для обработки
событий.
Базовый набор команд для программирования работы
аппарата подобен языку программирования миссий, который
используется в других АНПА, разработанных в ИПМТ ДВО
РАН. Кроме того, имеются команды, которые учитывают осо-
бенности, присущие составу и функционированию САНПА.
Введены некоторые дополнительные команды, обеспечивающие
реализацию миссии, предназначенной для долгосрочной работы
аппарата. В частности, введена команда CHARGE(x,...,z), пред-
назначенная для управления системой зарядки аккумуляторов
аппарата от расположенных на нем солнечных панелей в светлое
время суток на поверхности моря.
Команды высокого уровня формируют параметры движения
и определяют режимы работы подсистем САНПА, которые
затем запоминаются в некоторой области памяти, называемой
общей памятью. Драйверы, реализующие обмен по сети на
основе канала RS-485, передают сохраненные параметры соот-
ветствующим микроконтроллерам, ответственным за управление
определенными подсистемами САНПА, а измеренные данные
записывают в общую память.
Бортовой компьютер обеспечивает также определение
местоположения САНПА на основе данных приемника GPS и
датчиков ортовой системы счисления, выполняет сохранение
собранной сенсорными системами аппарата информации, осу-
ществляет информационный обмен с компьютером оператора и
бортовыми микроконтроллерами.
»%б°Р микРок°нтРоллеРОВ реализует систему управления
' ° УР°ВНЯ' Данная система включает систему зарядки
У У оров от солнечных панелей, систему энергообес-
318
печения, блок управления маршевым по.,-,,,,
рулей высот.,, и курса, а также систему сбора иТфорХ™”
Система программного управления САНПА включает бор
товую систему программного управления и пульт оператора
Пульт оператора реализован на персональном компьютере и
функционирует как многооконный графический пользова
тельскии интерфейс под управлением оболочки Photon ONX
Графический пользовательский интерфейс включает основные и
вспомогательные окна. В состав основных входят окно програм-
мирования и загрузки в аппарат миссии, окно управления ходом
исполнения миссии, окно с основными параметрами состояния
аппарата и окно с планшетом, иа котором отображается траек-
тория движения аппарата.
Результаты испытаний модифицированного САНПА.
Основной целью испытаний иа данном этапе было исследование
возможности долговременного функционирования САНПА.
Одной из задач была отладка доработанной системы програм-
много управления иа основе бортового компьютера и ОС QNX
При этом была испытана система программирования, отладки в
ввода в аппарат миссии и отлажены специализированные для
САНПА команды миссии. Другой важной задачей было тести-
рование работы усовершенствованной части контрольно-аварий-
ной системы, которая обеспечивает отслеживание текущегс
остатка энергии в аккумуляторных батареях аппарата (батареи
А и В) и обработки нештатных ситуаций.
Испытания проводились в мелководной бухте залива Петра
Великого летом и осенью 2000-2001 гг. Ниже приводятся ре-
зультаты, полученные во время экспедиции 2001 г. Блок-схема
алгоритма миссии, которая была предназначена для работы
аппарата в течение трех суток, приведена на рис. 6.13-6.15.
Энергетический баланс для батареи А в процессе выполнения
миссии показан иа рис. 6.16. Траектория САНПА показана на
рис. 6.17. Суточный пробег ПА составлял 20 25 м, из них на
активное движение под водой приходится 15 723 м и иа ленивую
“pZ-™ проведенных „епых.ниП САНПА под=
способность аппарата в течение нескольких суто й
миссию, состоящую из активной ночной фаз,. f]
дневной, предназначенной для заряда бата^“ ет энергети.
Коитрольио-аварийиая система аппарата о яторов ниже
ческий баланс и в случае истощения а^л^0’^
заданного уровня приостанавливает выпо
319
Рис. 6.15. Блок-схема алгоритма
активной фазы миссии
320
Рис. 6.16. Энергетический баланс для батареи А
Рис. 6.17. Результирующая траектория миссии
задания, обеспечивает всплытие аппарата и переводит его в
состояние зарядки батарей.
Работа системы зарядки батарей проверена полностью в
режиме питания от двух батарей одновременно и частично в
режиме питания от батарей поочередно. Испытания выявили
более высокую надежность работы приемника спутниковой
навигационной системы GPS при расположении антенны над
поверхностью воды. Максимальное время, необходимое для
определения местоположения аппарата, не превышало 2 мин.
; I Автономные
321
На текущем этапе разработки САНПА осуществляв гем уста-
новка на аппарат набора гидрологических датчиков, включаю-
щего датчики измерения температуры и электропроводности,
датчик растворенного кислорода, флюоромезр- по данным
измерений данного датчика можно судить о концентрации фито-
планктона, датчик рассеянного света измеряет мутность или
массу взвешенных частиц в воде, датчики нисходящего и восхо-
дящего излучения предназначены для измерения освещения,
приходящего сверху и снизу.
64 ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ АНПА
ДЛЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
В настоящее время происходит интенсивное развитие нефте-
газовой индустрии и систем связи через подводные оптоволо-
конные кабели. В обоих случаях требуется регулярная инспекция
состояния подводных коммуникаций, расположенных на средних
и больших глубинах в морях и океанах. Для этих целей уже
применяются АНПА [20-22] и потребности в аппаратах, при-
способленных для выполнения таких работ, также растут.
Задача обследования оптоволоконных кабелей сравнительно
проста и сводится к выходу на кабель с дальнейшим следованием
над ним с выполнением телевизионной или фотосъемки. Она к
тому же упрощается тем, что оптоволоконные кабели оснаща-
ются усилителями, для питания которых в кабеле имеются
токопроводящие жилы или оболочки. При постоянном питании,
очевидно, могут применяться магнитометрические устройства.
Обследование трубопроводов является сложной задачей, для
решения которой необходимо применение разнообразного ком-
плекса инструментов наблюдения и реализация управления спе-
цифическим маневрированием аппарата. Далее в общих чертах
рассматриваются эти вопросы.
Следует отметить, что практические попытки использования
АНПА для обследования подводных трубопроводов носят, ско-
рее, экспериментальный характер, но тем не менее имеются
достаточно убедительные результаты решения таких задач. Для
о щей оценки задачи могут быть использованы аналоги реаль-
ных работ при обследовании переходов трубопроводов через
реки и мелководные водоемы. Хотя воздействия внешней среды
в этом случае существенно отличаются от таковых в морских
глубинах, имеются сходные явления и ситуации, помогающие
лучше понять задачи и приемы выполнения работ по обследо-
ванию трубопроводов.
322
В глубоководной части маршрута трубопровод обычно укла-
дывается па грунт и подвергается воздействию внешней среды,
приводящему к ухудшению состояния трубопровода. Поэтому
возникает необходимость регулярного обследования через каж-
дые несколько месяцев. Сопоставление результатов позволяет
оценить ход деградации состояния трубопровода и своевременно
выработать меры, предотвращающие возможные повреждения.
Очевидно, что для объективного сравнения результатов обсле-
дования, они должны быть представленными в одном и том же
формате. Это обстоятельство, кстати сказать, стало одним из
факторов, которые привели к пониманию того, что для обсле-
дования трубопровода должен применяться АНПА. Как показал
опыт, результаты "точечных" обследований телеуправляемым
аппаратом трудно сопоставимы [21].
Требования к обследованию трубопроводов
и необходимый комплекс аппаратуры АНПА
Определим основные функции технического комплекса не-
обходимые для решения задачи [21]:
• определение положения (подвижки трубопровода)-Т1;
• обнаружение и измерение провисов - Т2;
* обнаружение обнажения трубопровода (толщина засыпки) -
• осмотр рельефа дна по сторонам трубопровода - Т4;
• обнаружение посторонних предметов (камни)-Т5;
• проверка состояния утяжеляющего покрытия-Тб;
• обнаружение повреждений трубопровода и соединений,
коррозии - Т7;
• оценка состояния катодной антикоррозионной защиты - Т8;
• обнаружение утечки транспортируемых веществ (газ, топ-
ливо и др.) - T9.
Понятно, что для решения перечисленных задач АНПА, во-
первых, должен оснащаться комплексом аппаратуры наблюде-
ний и измерений и, во-вторых, быть способным найти трубопро-
вод и сориентироваться относительно него, а также выполнять
Достаточно сложное маневрирование при обследовании, для чего
необходимы "интеллектуальная" система управления движением
АНПА и соответствующее программное обеспечение.
Рассмотрим в общих чертах методику выполнения задачи об-
следования подводных трубопроводов с помощью АНПА и обо-
значим необходимые для этого системы и устройства. Некото-
рые из ннх входят в обычный набор для АНПА, а часть - целе-
323
вые. В достаточно общем случае в перечень рассматриваемых
систем п устройств входят:
• инерциальная навигационная система (ИНС).
• доплеровский лаг (ДЛ),
• ГАНС-УКБ;
• акустические модемы для связи с сопровождающим судном;
• телевизионная система (ТВС) (с распознаванием);
• магнитометр;
• электромагнитная система (ЭМС);
. обзорные гидролокаторы - ГБО, ГСО (ориентируемый);
• акустический профилограф, специальный,
• электроградиентометр;
• датчик метана.
Навигационная система. Для выхода на трубопровод и вы-
полнения требования Т1 погрешность определения географиче-
ского места аппарата, очевидно, не должна быть более несколь-
ких метров. Протяженность маршрута может составлять сотни
километров ("Голубой поток" — 400 км), и задача оказывается
достаточно сложной. Инерциальная навигационная система, кор-
ректируемая доплеровским лагом, обеспечивает точное курсо-
указание и измерение параметров движения АНПА. Точность
измерения медленных (низкочастотных) движений аппарата
практически полностью определяется точностью лага. Необ-
ходимо также корректировать ИНС по каким-либо ориентирам
или по данным ГАНС. Расстановка маяков ГАНС-ДБ на про-
тяженном маршруте - дело трудоемкое и дорогое. Если АНПА
сопровождается судном, то при наличии GPS, ГАНС-УКБ и
акустической связи судно - АНПА можно определить точные
координаты АНПА и переслать данные на аппарат для коррек-
ции навигационной системы.
Телевизионная система может быть полезной лишь на
участках, когда труба частично или полностью свободна от
засыпки.
Магнитометр. Аномалия магнитного поля вблизи сталь-
ного трубопровода складывается из поля собственной намагни-
ченности, индивидуальной для каждой секции, из которых со-
стоит трубопровод, и намагниченности от поля земли, которая
зависит от ориентации трубопровода по отношению к магнит-
ному меридиану. Поэтому можно рассчитывать лишь на инди-
кацию момента прохода над трубой в перпендикулярном к ней
направлении. н
Электромагнитная система в принципе должна давать ин-
формацию как о пересечении трубы, так и об ориентации аппа-
324
Данные пока
ходе над трубой в поперечном направлении долже'н olTeK
аппарата^ °ПреДеЛСНИе и ее положения по™
Гидролокатор секторного обзора должен работать в двух
положениях: с небольшим наклоном диаграммы направленной
при подходе к трубопроводу и в вертикальном положении
плоскости диаграммы при движении аппарата над трубоппо-
водом. н
Профилограф. Ввиду того что заглубление трубы невелико
может работать на частотах более высоких, чем принято, и
иметь более узкую диаграмму направленности для повышения
точности определения места трубы.
Рассмотрим последовательно действия АНПА.
Выход на трубопровод (ТП). Положение ТП в географиче-
ских координатах считается известным, погрешности неизвестны
и, вероятно, составляют десятки метров. Кроме того, положение
труб по вертикали может меняться от скрытого в грунте до
значительного поднятия над ним в случае пролета или размыва
грунта и образования провиса. Поэтому АНПА должен начинать
поиск с расстояния порядка десятков метров, двигаясь
перпендикулярно к ТП.
Труба под грунтом. Для ее обнаружения нужно использо-
вать магнитометрические датчики, ЭМС и профилограф. При
совокупном подтверждении наличия трубы в системе управления
должны быть зафиксированы ее координаты, и АНПА после
разворота сможет выйти на траекторию обследования,
ориентируясь по данным о направлении трубопровода и показа-
ниям ЭМС.
Труба на грунте и над грунтом. Дополнительно может
использоваться ТВС и ГСО, ориентируемый так, чтобы плос-
кость диаграммы была направлена вперед и расположена верти
кально, или многолучевой гидролокатор с так же располо
женной диаграммой. Диаграмма направленности в вертикально
плоскости должна быть достаточно широкой, что°“ ааР^
рировать трубу при провисах. Дальность обзора
быть достаточной для того, чтобы аппарат успел с Р Р
вать и подняться выше трубы. ~ плботать
Очевидно, что в процессе выхода на труоу Д°- мплексп.
все перечисленные устройства и их данные до * м
роваться для обеспечения надежного^опознаот нее на
аппарат должен пройти над трубой, уд
325
5-10 м (от хвоста) для полноты данных, и лишь после «того
ПРО,Йр2одхКрёхн.Ю- обследования. Для начала, вероятно, сле-
дует принять маневр е остановкой над трубой и разворотом 'на
стбпЛ сторону направления обследования, подтвержденного в
маневре "змейка". Информация об ориентации АНПА над тру-
бой может быть получена от ЭМС, ТВ п ГСО с диаграммой,
направленной вниз, и плоскостью, перпендикулярно!! продоль-
ной осн аппарата. Таким образом, аппарат оказывается подго-
товленным к переходу в режим обследования.
Режим обследования. Управление аппаратом при движении
над трубой обеспечивается ТВ и ГСО. Ориентация ГСО - как
в предыдущем режиме. По его данным можно определить как
боковое смещение аппарата, так и его высоту над трубой.
Попутно по данным ГСО можно обмерять провисы трубы, т.е.
ее отстояние от грунта. Если труба погружена в грунт, необ-
ходимо применять профилограф, расположенный в носовой
части аппарата.
Уточнение планового положения сводится к определению и
записи траектории аппарата, предположительно с погрешностью
не более 10-30 м. Необходимая точность навигации может быть
получена при эпизодической коррекции положения АНПА по
связи с сопровождающим судном. К тому же при значительной
протяженности маршрута может потребоваться подъем
аппарата для зарядки батарей.
Телевизионная и/или фотосъемка. Предполагается, что на
всем протяжении трубопровода должна производиться его съем-
ка. Учитывая, что объем информации весьма велик, следует
ориентироваться на цифровую фотосъемку с импульсной под-
светкой и с небольшим перекрытием кадров. Кроме того, на
участках, где трубопровод полностью закрыт грунтом, что
может распознаваться ТВ системой, ГСО и профилографом,
целесообразно проредить съемку.
Обнаружение провисов. Как уже говорилось выше, при-
менение ГСО позволяет оценить положение трубы над грунтом,
днако образуется тень под трубой и профиль грунта непо-
средственно под трубой остается неизвестным, что может за-
труднить предсказание последующей подвижки грунта. Для
олее детальной оценки ситуации можно применить маневр
обхода участка с пролетом или провисом в стороне от трубо-
провода с боковой съемкой с помощью ГСО. Необходимо отме-
тить, что такой маневр потенциально опасен. Провисы обра-
зуются вследствие воздействия донных течений. Скорость тече-
326
за^яну^ечснием под т^уб^Эти^ли’ " М°ЖСТ бь,ть
„р„ про«"По™Л.Р^^
рабочих программ. са и Разработке
Измерение толщины засыпки. Использование акустического
профилографа, в принципе, представляется наиболее надежным
способом. Однако вследствие относительно низкой частоты
излучения разрешающая способность по дальности окажется
низкой, а диаграмма направленности - широкой. В результате
импульсы на выходе профилографа (первый - от грунта вто
рой - от трубы) окажутся размытыми. При движении аппарата
вдоль трубы будет получена серия отсчетов, совместная обра-
ботка которых может повысить точность измерений. В статьях
[25] рассматривается параметрический профилограф и метод об-
работки сигнала, обеспечивающие высокую точность зондиро-
вания объектов, погруженных в грунт. Кроме того, целесооб-
разно попутно применять ГСО, который позволит получать
поперечный профиль поверхности грунта. Измерение глубины
погружения трубы в грунт возможно с помощью ЭМС, но при
этом оказывается необходимым производить замеры на двух
расстояниях от трубы.
Определение рельефа дна по сторонам трубопровода.
Для этой цели используется ГБО, лучше с батиметрическим
отсчетом.
Обнаружение утечки газа. При обнаружении газопроявлений
АНПА должен остановиться и в режиме зависания обследовать
дефект по возможности более детально. Для этого, вероятно,
требуется многократное фотографирование места утечки при
различных ракурсах и дистанциях. Задача не простая. Возможны
два варианта - съемка по сетке с малым шагом, покрывающей
некоторую область вокруг обнаруженного дефекта, нли, при
возможности достаточно точно локализовать место утечкн,
съемка вокруг найденного места. Выполнение данных маневров
требует довольно сложного программирования, учитывающего,
что ИНС выдает координаты своего места, а ТВ камера может
находиться на удалении от ИНС в пределах размеров •
Из анализа следует, что АНПА, предназначенный для обсле-
дования трубопроводов, должен быть основательно оснащен
быть способным реагировать на собственные наол^е““я’„ис-
полняя сравнительно сложное маневрирование. ы
сии инспекции трубопровода должна содержать по Р Р _ ‘ ’
например такие; выход на трубопровод, уточнение паспо-
ции (змейка), переход к движению вдоль труоо р , Р
327
знавание специфических ситуаций, таких как выход на пролеты
и провисы, обнаружение дефектов п, соответственно под-
программы функционирования АНПА в этих ситуациях. Нако-
нец необходим комплекс программ для обработки на судне всего
массива информации с целью ее представления в форме, удобной
для пользователя и пригодной для сопоставления результатов
инспекций, проведенных в различное время.
6 5 ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНПА
ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Многие развитые страны в настоящее время уделяют особое
внимание исследованию и разработке ресурсов шельфа, которые
включают большие запасы полезных ископаемых и пищевых
ресурсов. Для этих целей проводятся специальные исследования с
применением различных технических средств и современных
методик. Одной из наиболее перспективных безусловно является
методика использования АНПА для экологических исследова-
ний и оценки запасов биологических ресурсов шельфа.
Технология проведения экологических исследований с по-
мощью АНПА включает методики проведения обследования и
обработки информации, оценки плотности распределения вод-
ных животных п водорослей, оценки гидрохимического и гидро-
физического состояния воды п картографирования полученных
данных.
В зависпмостп от задач исследования АНПА может быть
оснащен системой датчиков для одновременного с видеосъемкой
измерения гидрохимических, гидробиологических, гидрофизиче-
ских параметров, таких как температура, соленость, прозрач-
ность, концентрация кислорода и фитопланктона, электропро-
водность, нисходящее и восходящее излучение. В состав такого
комплекса входят бортовая система управления, обеспечива-
ющая произвольные движения аппарата, включая зависание;
навигационная система, позволяющая определять местоположе-
ние и ориентацию с помощью акустической и бортовой навига-
ционных систем с коррекцией от GPS.
Таким образом, основные экологические исследования с по-
мощью АНПА при мониторинге водной среды можно свести к
решению следующих задач [26].
1. Оценка гидрохимического состояния морской среды по
характерным параметрам (pH, соленость, содержание
кислорода, электропроводность, температура, мутность,
тяжелые металлы).
328
2. Видео- и фотосъемка морского пня тл„о
объектов на снимках и оценка плотн л нтиФикаЧия био-
макробентоса (морские ежи мп °СТИ распРеделения
г кморские ежи, моллюски, мопские янаяпч
поля морских водорослей и т.п.). р звезды,
3. Оценка концентрации зоопланктона, фитопланктона и
мутности водь, в различных участках акватории средних
значении биомассы планктона на единицу объема
4. Определение продукционных характеристик массовых
групп бентоса и планктона по данным о концентрации и
плотности поселения и оценка общего эколого-функцио-
нального состояния экосистемы.
5. Планирование размещения хозяйств аквакультуры, управ-
ление аквакультурой.
6. Контроль за рыбным промыслом, обнаружение и распо-
знавание нарушителей.
7. Инспекция подводных сооружений с точки зрения влияния
их на экологическое состояние окружающей среды.
8. Контроль экологического состояния акватории портов-
содержание загрязняющих веществ и обнаружение источ-
ников загрязнения.
Оценка гидрохимического состояния морской среды по ха-
рактерным параметрам. В экологических исследованиях зару-
бежных ученых все шире применяются АНПА, оснащенные
специальными датчиками. Например, программа Autosub Science
Missions, проводимая в 1999-2001 гг. использовала A UV "Autosub",
оснащенный следующим набором инструментов [27]:
• двойной CTD;
• электрод для определения растворенного кислорода;
• флюорометр;
• датчик коэффициентов пропускания и затухания,
• датчик нисходящего излучения;
• ADCP с шириной полосы 300 кГц.
Помимо этих стандартных датчиков были разраоотаны
дополнительные датчики для специальных целей. 1ак, дл
"Autosub" была разработана система анализа содержания ра -
ренного марганца в условиях морской среды в Фя°рл°°°
ме Loch Etive в Шотландии, где развитие условий^в
более глубоких изолированных водоемах между пастВ0Рен-
водой сопровождается увеличением концентр Р j р„
ного марганца. Данные формировались ™
регистрировались Autosub, и после ре са дл нтеовалоы ю с.
использовались данные, проинтегрирован нения в усл0.
Градуировка системы возможна либо п_ р
329
внях среды выбранной заготовки и градуировочных растворов,
либо путем выполнения дискретных замеров с помощью пробо-
отборника Aquatnonitor (IVS Ocean Systems'), и последующего
лабораторного анализа и сравнения с сигналами дстек гора.
По результатам применения этой системы было выявлено,
что глубоководные водоемы имеют более низкое содержание
кислорода п более высокое содержание марганца. Кроме юго,
система позволяет обнаружить мелкие признаки наличия раство-
ренного марганца, которые нельзя заметить традиционными
методами взятия проб и анализа.
Вторым специальным датчиком, применявшимся на Autosub,
был датчик концентрации метана METS, разработанный GKSS
в Германии. По результатам исследования общее увеличение
концентрации метана обычно наблюдалось в более глубоких,
богатых метаном водах Loch Etive. Недостатком является тот
факт, что реакция датчика была относительно медленной по
сравнению с операциями погружения и всплытия Autosub, а так-
же отсутствие системы аналитической градуировки в условиях
среды или на судне для растворенного метана в отличие от
марганца [27].
Примером системы, способной выполнять сбор данных для
оценки параметров морской среды, является система MIMIR EV1,
разработанная компанией Qineti Q [28]. Система построена путем
интеграции нескольких модулей, данные между которыми могут
передаваться по стандартной телекоммуникационной тех-
нологии. Основу системы составляет небольшой автономный
аппарат, способный работать на глубинах 0,5-60 м. Он оснащен
батиметрическим сонаром, гидролокатором секторного обзора,
датчиками химического состава и видеокамерами. Также имеют-
ся устройства для сбора данных и проб с поверхности, с глубины
и со дна моря. С их помощью можно выполнить:
• измерение содержания растворенного кислорода;
• измерение СТД;
• взятие проб воды;
• взятие проб грунта;
• подводные видеоизображения;
• видеоизображения поверхности.
„„ СРеди достоинств Данной системы разработчики отмечают
возможность оыстрой переконфигурации системы и оснащение
ее дополнительными датчиками.
объект' U фотосъем’са морского дна. Идентификация био-
сопнойииЖ “ СНимКах' Наблюдение за жизнью моря, сбор сен-
сорной информации о популяциях, биологическая оценка состоя-
330
НИЯ окружающей среды играют важную
исследованиях. Для этих целей крайне экологических
с высоким разрешением, который могут п^гп^' изображения
ры. Они являются обязательным попЛ Печить видеокаме-
информации с низким разрешением кот™6** К дальномеРиой
ские датчики (ГБО, батиметрический сонар^цро^гЭХ
Видеоизображения несут намного больше информациям
бои другой датчик и дополняют сенсорные измерения
Большой объем видеоданных требует разработки техниче-
ских систем автоматического или полуавтоматического выделе-
ния ключевой информации и создания средств для облегчения
доступа, объединения, анализа и визуализации видео- и другой
сенсорной информации, собираемой в процессе поиска. Напри-
мер, в лаборатории систем освоения океана Университета Heriot-
Watt разработана система автоматического обнаружения инфор-
мативных участков видеоданных в процессе постанализа, для
облегчения труда эксперта и улучшения использования дан-
ных [29]. Она способна выделить из потока изображений инфор-
мацию об изменениях морского дна, имеющих место в основной
реальной картине.
Система была встроена в мультисенсорную подводную ис-
следовательскую систему, разработанную для Европейского
проекта Aramis. Система видеообработки состоит из подводной
камеры, смонтированной на инструментальном модуле Aramis, и
судового компьютера, который оцифровывает данные камеры и
обрабатывает их в реальном времени со скоростью 4 изображе-
ния в секунду и выдает результаты анализа и изображения. Они
могут сохраняться на диске или передаваться по протоколу
TCP/IP в центральный блок. Данная система использовалась для
изучения гидротермальных течений в прибрежных водах о. Ми-
лос в Эгейском море [29]. Эксперты изучали полученные в ре-
зультате съемки данные и отбирали информативные записи.
Интересные с научной точки зрения кадры представляли либо
изменения общих условий морского дна, либо специальные ха
рактеристики (пузырьковые потоки, рыба, норы, губки), ыло
зарегистрировано 36 видеофрагментов. Затем они сравнивались
с видеозаписями, полученными автоматически, в ходе раоо
системы. При сравнении автоматически полученных
кадрами, отобранными экспертами, положительны^ р •
тат составил около 35%, ошибочный - около 'c' случаев
хороший результат, он приемлем в значительно). 'ного
достаточно сложного для человека-эксп р
анализа.
331
Представленный метод определяет первый строительный
блок автоматизированного индексирования не редактирован-
ного поискового видеоматериала. Дальнейшее исследование на-
правлено на более специфические проблемы обнаружения при
повышении надежности через супервнзорное управление и обу-
чающие алгоритмы. Например, когда цель видеопоиска состоит
в наблюдении хорошо известной области морского дна, для
обучения алгоритма можно использовать ранее собранные дан-
ные, чтобы можно было надежно идентифицировать различные
типы морского дна.
Следующим этапом идет стыковка обработанных видеозапи-
сей, с другими сенсорными данными. Это возможно благодаря
использованию геоинформационной системы, под названием See-
Track. See-Track дает возможность визуализации геокоординат-
ных данных и обработки мультисенсорной информации,
собранной при спуске подводного аппарата. Система выводит на
экран двух- и трехмерные изображения траектории ПА, возмож-
но с интегрированной батиметрией, или растровые изображения
(например, карты). С каждой точкой исследуемой области свя-
зана вся соответствующая информация, собранная в данном
местоположении. Это могут быть видео- и акустические данные
с геопривязкой, сырые или обработанные с помощью одного из
имеющихся алгоритмов. До выполнения какой-либо обработки
исследователи имеют в данной точке видеоизображения, акусти-
ческую и батиметрическую информацию.
Каждое обнаруженное изменение морского дна, выдаваемое
алгоритмом, может быть далее связано с геокоординатной
системой, внесено в информацию о соответствующей точке в
базе данных и обозначено специальным знаком на траектории
аппарата.
See-Track поддерживает объединенный вывод на экран поис-
ковых данных и информации о районе. Соотнесение информа-
ции различных датчиков с геокоординатной системой, наряду с
возможностью обработки интегрированных данных, делает ее
удобной средой для реализации комплексирования сенсорных
данных.
Оценка концентрации зоопланктона, фитопланктона и
мутности воды в различных участках акватории. Для исследо-
вани фитопланктона большую роль играют достижения био-
оптического приборостроения [30]. Наиболее полезны для при-
менения две рабочие классификации объемных оптических
свойств. Это внутренние оптические свойства и видимые оптиче-
ские свойства. Внутренние оптические свойства зависят только
332
от среды и нс зависят от окпужяю...»г„
мые оптические свойства зависят как от СВетового поля- ВиДи-
свойств, так и от геометрической ctpvktvokT^^ °ПТИЧес™х
водного светового поля. Приборы ппрпЛ^ кРУжающего под-
дения света под водой, обычно описывактгсяка^вь НабЛЮ‘
измерения »«утренн., ZS
коэффициенты спектрального затухания, абсорбции иТссея-
ния), либо видимых оптических свойств (например коэффи-
циенты спектрального затухания рассеянного света) Существу
ют инструменты, имеющие возможность измерять абсорбцию
света, рассеяние и затухание для различного частотного состава.
Возможности этих приборов позволяют отличать фитопланктон
от детрита и растворенных материалов.
Оценка первичной продуктивности представляет важней-
шую задачу, для решения которой используются несколько раз-
личных оптических измерений. Например, измерение флюорес-
ценции хлорофилла и излучения фотосинтеза в эмпирических
моделях и более сложные измерения с помощью флюорометров.
Последние имеют преимущества, обеспечивая информацию о
биофизических параметрах, связанную с фотосинтезом. Многие
из этих оптических инструментов могут работать с борта судна,
причалов, дрифтеров.
Для исследования зоопланктона применяются новые видео-
акустические методы. Один из методов определения наличия
зоопланктона основан на применении световых пластин. Эти
системы используются для получения вертикального разреза или
буксируются за судном и обеспечивают оценку биомассы планк-
тона и пространственное распределение данных.
Акустические методы измерений достаточно давно применя-
ется для исследований. Перспективы их использования связаны с
разработкой многочастотных систем. Разработаны модели, ис-
пользующие многочастотные данные, для оценивания не только
полной биомассы зоопланктона, но также для определения про-
странственных распределений.
К новым инструментам биологической океанографии можно
отнести пробы для молекулярного исследования генетики и
видовых характеристик. Для обнаружения и определения содер
жания некоторых видов бактернопланктона и для исслед
динамики взаимосвязей между некоторыми видвм“ бы
пользовать молекулы типа ribosomal RNAs. Разра о Р
для исследования видовой специфики (антитела' ’
скоплений вредных водорослей (HABs). Также ПР° методов
рабатываться подходы, связанные с использо
333
генетики для повышения трофических уровней (от зооплшж гона
ДОКОднпм из методов, широко применяющихся для исследо-
ваний фитопланктона является струйная цитометрия. С крупная
цитометрия определяет рассеяние п флюоресценцию от отдель-
ных частиц, вовлеченных в поток жидкости и проходящих через
узкосфокуспрованный луч лазера. С помощью этого метода
можно определить состав растворенных скоплении фитопланк-
тона, а также количество и размер фитопланктона при наличии
детритовых частиц. Однако струйная цитометрия является мето-
дом лабораторного исследования, требующим сбора и обработки
дискретных данных, проб воды. Тем не менее существуют
примеры систем, способных работать на необитаемых ПА. Так,
в рамках программы Autosub Science Missions для необитаемого
AUV "Autosub" была разработана система, способная работать
на глубине до 200 м [27]. Ее отличительные особенности вклю-
чают постоянное лазерное освещение, циркулирующее обтека-
ние оболочки, очень широкий динамический диапазон (от 2 до
500 мкм), и возможность работать автономно и регистрировать
данные в объеме около 200 замеров. Система заключена в ци-
линдрический корпус с размерами 415 х 530 мм и потребляет
20 Вт электроэнергии. Она монтируется на “Autosub” вместе с
счетчиком рассеяния и абсорбции АС9 и автоматическим водо-
заборным устройством. Это позволяет установить прямую связь
между содержанием частиц в толще воды и соответствующими
оптическими свойствами.
Контроль экологического состояния порта. Обнаружение
источников загрязнения и загрязняющих веществ. Очень важ-
ной задачей является охрана портов. Она включает в себя мно-
жество проблем, охватывающих все аспекты деятельности
порта. Рассмотрим одну из таких проблем, с которой приходится
часто встречаться службам морской безопасности. Это пробле-
ма неуловимого блеска ловушки". "Блеск ловушки" — это нефть
или газ, пятна которых в воде похожи. Источник этих ярких
пятен, как правило, создается насосами одного из судов в порту.
Проблема состоит в том, что радужные пятна имеют мимолет-
ную природу и зафиксировать их можно только в очень ограни-
ченное время. Для решения данной задачи можно применить
автономные необитаемые ПА. Так, программа Coast Guard
(США) предлагает поместить автономный необитаемый ПА по
возможности ближе к району, чтобы он выполнял предвари-
тельно заданную программу поиска в предварительно заданные
моменты времени с применением бортового анализатора, чтобы
334
отчетливо проявить радужное пятно. Аппарат может взять
пробу воды, на основании которой служба морской безопасности
может предъявить соответствующее обвинение. Важным
аспектом здесь является фактор секретности, т.е. никто не видит,
как аппарат берет пробы.
Служба Coast Guard считает очень перспективным исполь-
зование для решения данной задачи ПА с большей длитель-
ностью автономной работы. В таком случае ПА можно было бы
запускать с базовой станции и направлять для патрулирования
порта с целью определения химических аномалий. Маршрут
патрулирования можно было бы изменять, учитывая необходи-
мые детали. Навигационные возможности позволят также ис-
пользовать датчики, позволяющие ПА проследить загрязняю-
щее вещество до самого источника. Экологические исследова-
ния, проводимые ИПМТ ДВО РАН с применением автономных
и телеуправляемых аппаратов, описаны в гл. 7.
Глава 7
ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК
И ПРОВЕДЕНИЯ МОРСКИХ РАБОТ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНПА
71. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДВОДНОГО АППАРАТА
"СКАТ" ДЛЯ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ
НА ОЗЕРЕ БАЙКАЛ (1974)
Экспериментальные исследования с использованием АНПА
"Скат" на озере Байкал относятся к числу самых первых прак-
тических работ, связанных не только с конкретной экологи-
ческой проблемой, но и с выработкой принципиального подхода
к созданию АНПА вообще. Основная задача состояла в про-
верке работоспособности систем аппарата и выработке
методики проведения траекторных измерений локальных физи-
ческих полей и съемки рельефа дна. С этой целью в августе
1974 г. на озере Байкал были проведены экспериментальные
испытания автоматического подводного аппарата "Скат",
снабженного гидрохимическим датчиком (ГХД), который был
разработан в Институте неорганической химии (ИНХ) СО АН
СССР [1].
Установившаяся методика наблюдений за состоянием водной
среды с использованием сети буйковых станций и приемов стан-
дартной гидрохимии не позволяет оперативно, систематически и
детально исследовать динамические явления во всей исследуемой
акватории при изменении внешних условий. Для выяснения про-
странственной картины состояния среды нужно иметь сеть не-
прерывных или дискретных измерений по горизонтальным
и вертикальным разрезам. В этом отношении представляется
перспективным использование автоматического подводного
аппарата, оснащенного соответствующей измерительной аппа-
ратурой, для проведения гидрохимической съемки с привязкой ее
к сети прямолинейных траекторий.
В эксперименте использовалась следующая исследовательс-
кая и регистрирующая аппаратура, предназначенная для измере-
ния параметров гидрохимических полей и фотографирования
336
• потенциометрический датчик кп™.
ратуры; ИК И°НОВ натРИя и датчик темпе-
• четырехканальный накопитель данных на магнитной леТте
на каналы которого производилась запись показаний гид
рохимического датчика, глубиномера (эхолота), маятник!'
вого датчика дифферента. маятнико
Принцип измерения содержания химического элемента в
воде основан на функциональной зависимости потенциала
селективной электродной пары датчика от концентрации ионов
элемента и температуры среды. Определение качества воды
производится по различным компонентам растворенных в воде
веществ. В качестве эталонных растворов используются в
основном растворы ионов натрия, калия, водорода, хлора,
сероводорода и др. Проведя предварительно калибровку элект-
родной пары по известным растворам и вводя температурный
коэффициент, можно определить по полученным показаниям
датчика содержание элемента и разбавляемость.
Потенциометрический датчик содержит селективный зонд-
преобразователь входного потенциала, пропорционального кон-
центрации pNa, в частоту. В одном блоке с датчиком pNa собран
датчик температуры. Как автоматические устройства датчики
pNa и 1° представляют приближенно инерционные звенья с
постоянными времени, равными примерно 1-2 мин.
Порядок проведения эксперимента. Программа испыта-
ний аппарата включала отработку системы фотографирова-
ния для проведения маршрутной съемки дна и измерение
гидрохимических параметров в районе сброса промстоков. На
порядке и результатах работы сказались урезанные сроки экс-
перимента.
Для определения условий съемки (высоты, фокусного рас-
стояния, параметров экспозиции), обеспечивающих качествен-
ные фотоснимки, производилось опытное фотографирование в
режиме вертикального погружения с зависаниями на различных
глубинах и различных расстояниях от дна, свидетельствующих
о том, что диапазон высоты подводной съемки должен ыть
1-2 м. Это соответствует нижней предельно допустимой границе
высоты движения аппарата при ровном рельефе дна. ак в 1яс
нилось путем эхолокации, рельеф дна в районе
имеет сложный резко пересеченный характер с оль
падами глубин (типа каньонов) и крутизно
Проведение маршрутного фотографирования в этих усл
-- Автономные 337
при отсутствии в системе управления локаторов переднего обзо-
ра оказалось проблематичным.
Гидрохимическим измерениям предшествовала установка
ГХД на "Скат", настройка регистрирующей аппаратуры для
записи показаний датчика, калибровка шкалы измерений е по-
мощью эталонных растворов и контрольного зонда. Измерение
температуры и концентрации pNa в районе исследования про-
водилось при следующих программах движения:
• движение на постоянной глубине заданным курсом, возвра-
щение с переходом на другую глубину;
• вертикальное погружение и всплытие с зависаниями на раз-
ных горизонтах.
В качестве ориентиров при движении по заданным марш-
рутам использовались гидрологические буи-станции, располо-
женные в прибрежной зоне при удалении от берега на 1000—
1500 м. С учетом этого и строились маршруты так, чтобы охва-
тить сетью проходов всю интересующую зону повышенной кон-
центрации химического элемента. При выборе маршрутов дви-
жения была предпринята попытка выйти на фоновое содержание
натрия с целью наметить контур области повышенной кон-
центрации.
Окоитуривание зоны является одной из основных и трудо-
емких задач исследования, для решения которой необходимы
большая программа эксперимента и специальная предметно-
ориентированная методика. Принципиальная возможность до-
стижения этой цели с помощью подводного аппарата была
подтверждена в ходе измерений. Наиболее рациональный путь
состоит в организации достаточно густой сети горизонтальных и
вертикальных разрезов, опорных профилей или маршрутов
движения по изолиниям параметров гидрохимического поля
(температуры, солености).
Проведенный эксперимент носил преимущественно методи-
ческий характер и был довольно кратковременным, но тем не
менее позволил оценить некоторые особенности протекания
химических процессов, а также выявить недостатки измеритель-
ной аппаратуры и методики гидрохимической съемки. Из ана-
лиза измерений, в частности, следует, что процесс разбавления
сточных вод происходит неравномерно, немонотонно и имеет
струйный характер. Изменение концентрации от максимального
значения до фонового зависит от многих локальных факторов.
Чтобы построить карту изолиний постоянной концентрации по
разрезам, иужно иметь достаточно густую сеть измерений в
различных направлениях.
338
Для рационального использодамыст
получения более полной информации п дводного аппарата и
гидрохимический датчик ТлЕ^
родных селективных пар, чУвХтёГьныХТ ЭЛеКТ‘
ческим компонентам. Необходимо тяк^ Различным хими-
чувствительных элементов соответствовал™ Ы инерционность
з > ив соответствовала динамичности ияма
ряемых процессов. В целом результаты проведенной на озепё
Байк.» работа, подт.ерд™„ аерспектя.иост “
Х.а™Г“Г° П°“,ОЛНОГ» ™ДРох„ми,ае“"™
7.2. РАЗРАБОТКА АНПА "СКАТ-ГЕО", ИСПЫТАНИЯ
АППАРАТА НА БЕЛОМ МОРЕ (1974-1978)
Осенью 1974 г. в Японском море были проведены испытания
аппарата в более полном объеме. Результаты испытаний в той
или иной степени были приняты во внимание при разработке
аппарата ' Скат-гео", начавшейся в 1974 г. Новый аппарат пред-
назначался для гравиметрических измерений и эхолокационного
обзора дна. Основное усилие при разработке этого аппарата
было направлено на повышение надежности функционирования
его систем и комплекса в целом, на создание определенных
удобств в обслуживании аппарата. Одновременно преследова-
лась цель расширить потенциальные возможности аппарата, в
частности, использовать его в качестве носителя приборов,
необходимых для проведения геодезических измерений и карто-
графирования: маятникового гравиметра, гидролокатора боко-
вого обзора, фототелевизионной аппаратуры. Разработка и
установка этой исследовательской аппаратуры не предусматри-
валась, но для ее использования на аппарате были смонтированы
буферные стыковочные узлы и вводы. Технология некоторых
деталей тщательно не прорабатывалась, а основные усилия были
направлены на апробирование новых, перспективных решений,
важных для дальнейшей работы. При разработке и испытаниях
аппарата "Скат-гео" возникла в общих чертах идея унификации
и модульного построения автономных систем АНПА, которая
несколько позднее приняла конкретные формы [2—1].
Аппарат был изготовлен в начале 1977 г. и летом этого же
года успешно прошел в дальневосточных водах всесторонн
проверку на работоспособность. За пятилетнш период ра р
ки аппаратов "Скат" и "Скат-гео" сложилась опрепока-
дика подготовки и проведения морских испытана .
зал, что степень готовности различных блоков, устр
339
тем аппарата перед началом испытаний разл™. Кроме того,
унифицированные блоки, такие как блоки ГАНС, эхолокатора и
другие можно испытывать в море самостоятельно, независимо
доуг от друга. Таким образом, испытание аппаратуры произво-
дится поэтапно по мере готовности всего комплекса и является,
по сути дела, продолжением разработки в морских условиях.
В сложившейся практике испытаний, ставшей традиционной
и в последующие годы, первый этап отводился, как правило,
для отладки навигационной системы. В данный период уточня-
лись реальные технические характеристики приемопередатчи-
ков ГАНС, определялась дальность действия и погрешность
измерения дистанций по гидроакустическому каналу. Для этого
предварительно в районе работ разбивался навигационный поли-
гон, образованный треугольником навигационных маяков, и осу-
ществлялась привязка его к месту по береговым теодолитным
постам или радионавигационным маякам. Затем производился
детальный гидрологический промер с помощью зонда-батимет-
ра и определялся профиль изменения скорости распространения
звука по глубине, который учитывается при вычислении навига-
ционных погрешностей.
Второй этап испытаний обычно отводится для проверки
функционирования всего комплекса аппаратуры. Работа аппа-
рата в это время сопровождалась многократным чередованием
спусков и подъемов, в промежутках между которыми на палубе
судна выполнялись различные тестовые проверки, производи-
лась отладка программ.
Особое внимание в процессе испытаний уделялось контролю
за работой аварийной системы. Для этого имитировались наи-
более вероятные аварийные ситуации, которые могут произойти
при работе аппарата под водой. На палубе в форсированном
временном режиме проверялась правильность функционирова-
ния систем стабилизации курса и глубины, точнее говоря, пра-
вильность формирования сигналов программного устройства и
прохождения их по цепям системы стабилизации. Длительность
программ, глубина погружения вначале задавались небольшими,
движение аппарата визуально контролировалось аквалангистами
или специалистами с сопровождающей мотолодки. Мотолодку
использовали также для буксировки аппарата перед пуском и
после всплытия его на поверхность.
По мере усложнения программ движения, с увеличением
времени и глубины погружения в испытания включали гидро-
акустическую навигационную систему, по сигналам которой,
принятым судовой аппаратурой, определяли местоположение
340
аппарата. В процессе движения аппапатя
накопителя регистрировали параметры "*магнитиую ленту
курс, дифферент, скорость. После подъема " ГлубинУ-
судна эти данные воспроизводили и перепись^™ б°РТ
самописца. Полученные осциллограммы обрабатывали^пспнш
совместно с данными ГАНС проверяли правильностьвыпод
нения программы, оценивали ДинамическиеР свойства аппарата
При необходимости вводили коррекцию в программу и уточили
параметры системы стабильности. При благоприятных метео-
условиях в течение дня удавалось осуществить три-четыре спус-
ка аппарата длительностью по 60-90 мин каждый. За это время
полностью вырабатывался эиергоресурс аккумуляторной бата-
реи и требовалась ее подзарядка. Для бесперебойной работы
использовались два сменных комплекта аккумуляторов, а во
время подготовки аппарата на борту судна энергопитание по-
давалось от судовой сети.
Заключительный этап испытаний отводился, главным обра-
зом, для проведения опытной фотовидеосъемки дна. На аппа-
рате "Скат-гео" была установлена специализированная автома-
тическая съемочная аппаратура: широкоугольная фотокамера с
запасом пленки 900 кадров, импульсные светильники с регули-
руемой энергией излучения, подводная телевизионная камера с
видеомагнитофоном, фара с галогенной лампой. Устройство\
фотокамеры была предусмотрена покадровая индикация номера
кадра, времени съемки и наклона оптической оси фотокамеры
Прозрачность воды в прибрежных районах моря обычно невы
сокая (4-5 м), в особенности в летне-осенннй период. Поэтому
наиболее подходящая дистанция, с которой производили съемку
при искусственном освещении, составила 2-3 м. Решение этой
задачи зависит, в частности, от совершенства эхолокатора, из-
меряющего расстояние до дна. Поэтому, прежде чем приступить
к подводной съемке, проводилась тщательная настройка эхо-
локатора в зависимости от различных типов отражающей по-
верхности грунта и в целом отладка системы стабилизации
движения вблизи дна. -
При выполнении фотовидеосъемки Дна во время испытан
аппарата "Скат-гео" учитывались интересы дальневосточных
ученых-геологов и проводилась маршрутная съемка в залп _
Петра Великого на участках, интересных в геологически. о
шении. Съемка проводилась преимущественно иаi глу “
40 м в ночное время, так как работа съем°чной аппаратуры
была рассчитана только на экспонирование при с у
освещении.
341
Рис 7.1. АНПА "Скат-гео" на Белом море (1978)
Испытания на работоспособность аппарата "Скат-гео , про-
водившиеся около четырех месяцев, были успешно завершены
зимой 1977 г. Они показали надежную работу аппарата во всех
режимах его эксплуатации. Последующий этап работ предусмат-
ривал передачу аппарата "Скат-гео" владельцу - ЦНИИГАиК.
С этой целью летом 1978 г. на Белом море были проведены
испытания аппарата по прямому назначению (рис. 7.1).
С берегов Японского моря аппарат был доставлен к месту
испытаний, и после небольшой проверки он приступил к работе
по программе совместных испытаний. Испытания проводились в
северной части Кандалакшского залива. Для обеспечения работ
плавсредствами в распоряжении экспедиции были несамоходный
плашкоут и два маломерных катера. На плашкоуте располага-
лись лабораторные помещения, грузовая стрела, электропита-
ние подавалось от дизель-генератора. Два катера использовались
для буксировки, расстановки навигационных маяков и связи с
берегом.
Согласно программе на аппарате должны быть установлены
опытные образцы специализированного геодезического обору-
дования (маятникового гравиметра, гидролокатора бокового
обзора), разработкой которого занимался ЦНИИГАиК. Исправ-
ное функционирование всех систем аппарата позволило в весьма
342
сжатые сроки, в течение короткого септ™
запланированный объем испытаний OenR ЛСТа’ вь,полнить
уделено оценке точности выполнения поотям6 вн^Мвн^е было
ботке методики навигационной привязки^™ ДВИЖения’ отра‘
ских буев (РГБ) навигационной системы РпаДпИпО;Гидроакустиче-
контрольно-аварийной системы. ’ Р РКе надежиости
В период спусков аппарата плашкоут буксировали в море и
ставили на бочку, координаты которой определяли по берего
вым геодезическим постам, расположенным в зоне прямой види-
мости. Несколько таких бочек служили опорными пактами для
привязки к месту РГБ. Статистические экспериментальные дан-
ные, полученные путем многократных измерений дистанций по
гидроакустическому каналу от погружаемого с плашкоута
гидрофона до маяков-ответчиков РГБ, сопоставляли с данными
теодолитных измерений и оценивали погрешность определения
координат маяков с учетом гидрологии в месте работы. Резуль-
таты измерений предварительно обрабатывали и в дальнейшем
использовали для вычислений на ЭВМ.
При настройке системы стабилизации движения аппарата и
при задании программ движения потребовалось ввести некото-
рую корректировку в канале стабилизации курса, обусловлен-
ную полярной широтой места испытаний. Как известно, харак-
теристика магнитного компаса, входящего в состав системы
стабилизации курса, зависит от горизонтальной составляющей
напряженности магнитного поля Земли, уменьшающейся к
полюсу. Поэтому и корректировка в принципе необходима
всегда, когда аппарат используется в различных районах, значи-
тельно разнесенных по широте.
Другая особенность, сказавшаяся на работе аппарата, связана
с приливно-отливными течениями в Белом море, более силь-
ными, чем в Японском море. Это приводило иногда к большому
сносу аппарата, вследствие чего возникали трудности при поиске
его после всплытия. Ночью аппарат легко обнаруживается по
вспышкам светомаяка, в светлое же время суток (а за полярным
кругом оно очень продолжительно) светомаяк малоэффективен.
Поэтому для поиска аппарата использовался гидроакустически
пеленгатор (гидроакустический приемник ГАНС, настроеины
на режим пеленгации). _ „ а
На заключительной стадии испытании в Белом। морепр
водилась дальнейшая отработка системы для мар“ру эхо.
видеосъемки. Предварительно на аппарате был у „
локатор новой конструкции, более точны и н ’ ь
прежний. Условия для фотосъемки в Белом \ р
343
благоприятнее из-за сравнительно высокой прозрачности воды,
лишенной планктона и других мелких взвесей. Фотосистема
была настроена на покадровую съемку с интервалом 4 с, так что
все 900 кадров кассеты расходовались в течение одного часа
работы. Пройденное при этом расстояние составляло около
3600 м. Из этого расчета задавалась длительность программных
траекторий движения аппарата. Глубина погружения обычно не
превышала 40-50 м, дистанция до дна составляла 3^4- м. После
серии экспериментальных съемок было достигнуто довольно
высокое качество фотографий и видеозаписей изображения дна.
Оценивая опыт проведения испытаний и эксплуатации аппа-
ратов "Скат" и "Скат-гео", следует отметить ряд проблем, ока-
завшихся важными для организации таких работ в дальнейшем.
Благодаря малым габаритам и массе автономного аппарата для
его эксплуатации и выполнения кратковременных эксперимен-
тально-исследовательских задач, касающихся, например, гидро-
физических измерений в относительно небольшой акватории
вблизи береговой базы, пригодно любое судно малого или сред-
него водоизмещения с минимальным техническим оснащением.
Как уже отмечалось, при разработке аппарата "Скат-гео" вы-
явился ряд конструктивных факторов, послуживших основой для
внедрения модульной технологии. Прежде всего это было
связано с необходимостью увеличения рабочей глубины погру-
жения вплоть до предельной и оснащения аппаратов комплек-
сом навигационно-управляющей и информационно-измеритель-
ной аппаратуры. Особенности модульной технологии АНПА,
реализованной в последующих разработках глубоководных
аппаратов и их систем, рассмотрены в гл. 1.
7.3. ОПЫТ ГЛУБОКОВОДНЫХ ОБЗОРНО-ПОИСКОВЫХ
И ОБСЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ
С ПРИМЕНЕНИЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
"Л-2" (1982-1989)
оследующие годы были весьма насыщенными по практиче-
ским применениям комплекса технических средств, включаю-
Щег° кроме АНПА Л-2" (рис. 7.2) модульный буксируемый
нелйу37 (рис. 7.3), средства ГАНС-ДБ и оборудование,
одимое для эксплуатации аппаратов и средств навигацион-
ного обеспечения.
яяиищ1982-1983 гг. выполнялись работы по детальному обследо-
“ То71На ГибелиАПЛ "К-8"- затонувшей в северной Атлан-
г. на глубине свыше 5000 м. Работы проводились с
344
Рис. 7.2. АНПА "Л-2"
Рис. 7.3. Глубоководный буксируемый аппарат
345
борта гидрографического судна "Пегас", совершившего переход
из Владивостока в район аварии субмарины. Методика проведе-
ния обзорно-поисковой операции содержала последовательные
этапы- эхолокационный промер глубин района, расстановку
донных маяков-ответчиков ГАНС-ДБ, обзорно-поисковую
съемку дна буксируемым и автономным аппаратами. Ввиду того
что местоположение объекта поиска было известно с большой
первоначальной погрешностью (около 5 миль), собственно поиск
осуществлялся в два этапа. Первый этап - поиск с помощью
БПА для обнаружения и идентификации целей с расстояния 80-
100 м; второй этап - допопск с помощью АНПА для маршрут-
ного фотографирования и детального обследования выявленных
целей. Небольшое число одновременно используемых маяков-
ответчиков (3-4) не позволило перекрыть всю зону поиска,
поэтому потребовалась перестановка навигационных баз с опре-
делением координат маяков по обсервованным точкам. Модер-
низированные к началу работы маяки-ответчики из штатного
комплекта имели небольшой вес, малые габариты и были спо-
собны работать в режиме ответа на запрос и всплывать на
поверхность по команде вызова. Для поиска на поверхности
маяки были снабжены световыми и радиосигнальными устрой-
ствами. Работа ГАНС при обеспечении БПА отличалась доста-
точно высокой надежностью. При этом для экономии ресурсов
маяков вместо непрерывного режима запросов использовался
режим сеансовой связи.
Поиск с помощью БПА осуществлялся путем покрытия за-
данной области сетью галсов с расчетом сплошной съемки дна
гидролокатором бокового обзора. При буксировке на расстоянии
100-200 м от дна полоса обзора ГБО составляла 700 м в обе
стороны с мертвой зоной, соответствующей высоте съемки.
Одновременно производилась магнитная съемка квантовым
магнитометром, чувствительность которого составляла 1 нТ.
роцесс буксировки на больших глубинах при обследовании
площади и выходе на цель отличается исключительной трудо-
емкостью. Для осуществления буксировки при длине кабель-
троса около 9000 м была принята схема с положительной плаву-
честью А без заглубителя, как наиболее простая в техниче-
ском отношении и позволяющая компенсировать воздействие
концеКаЛЬН°Й КаЧКИ Судна за счет пРовисания троса на ходовом
Управление глубиной погружения осуществлялось путем
ѓаСТИ буксировки на основе текущих данных о
ении ПА относительно грунта. При управлении курсом
346
использовалась информация о взаимном положении Кпд
точки цели и донных маяков-ответчикп» ц е БПА’ сУдна’
ровался лишь процесс формирования8^™4"0 автоматизи-
управления путем отображения ™ одных данных для
зависит в значительной мере от искусства управле,™я
показал опыт, к основным недостаткам буксируемой системы
можно отнести: ^иемы
• большую инерционность кабельной линии и судна при осу-
ществлении маневров по курсу, задержку в реакции на из-
менение курса, составляющую примерно 1,5 часа при глу-
бине погружения свыше 5000 м и скорости судна 3 узла
(1,5 м/с); }
• непроизводительные потери времени, которые складыва-
ются из затрат на спуско-подъем БПА и смену галсов при
буксировке; потери времени могут составлять в зависи-
мости от метеоусловий от единиц до десятков часов и могут
в наиболее неблагоприятном случае выражаться в виде
холостых проходов;
• требуется бесперебойность в поступлении навигационной
информации по кабельному каналу связи и при наличии
эпизодических сбоев в гидроакустической навигации (на-
пример, при возникновении зон тени для маяков-ответ-
чиков) могут быть трудно устранимые ситуации в управле-
нии аппаратом.
На заключительной стадии поисковой работы, проведенной в
1982 г. и продолженной в 1983 г., использовался АНПА "Л-2".
Аппарат был оснащен навигационно-управляющим и инфор-
мационно-измерительным комплексами, в состав которых
входили:
• система программного управления, содержащая встраивае-
мые микропроцессорные элементы и бортовой интерфейс
на основе унифицированной межмодульной связи,
• система телеуправления по гидроакустическому каналу на
рабочей частоте ГАНС;
• бортовая автономная навигационная система (ЬАНи, со-
держащая навигационно-пилотажные измерители и эхо-
локаторы для преодоления препятствий,
• ГБО с двусторонней полосой обзора по 375 м на каждхю
• комплекс магнитометров, радиометр, Ф0Т°с“^д’а’Г^Р°и
логические датчики, аналоговый и цифро
данных.
347
Практика показала эффективность автономного подводного
аппарата при работе на больших глубинах. Маршрутное фото-
графирование с борта АНПА с относительно равномерной
сетью траекторий нужной плотности позволило составить из
десятков тысяч снимков фотопанораму заданного района.
АНПА ‘‘Л-2’’ совершил в данной работе более 80 глубоководных
погружений общей длительностью около 300 часов.
Следующая глубоководная операция состоялась в 1987 г., ко-
гда с помощью аппарата “Л-2” и всех элементов робототехничес-
кого комплекса производилось обследование АПЛ К-219 , по-
терпевшей аварию в Саргассовом море вблизи Бермудских ост-
ровов. Весь технический арсенал экспедиции, базирующейся на
ОИС “Николай Матусевич”, состоял из автономного и двух бук-
сируемых аппаратов со всеми необходимыми средствами обеспе-
чения. Кроме того, попутно предполагалось провести испытания
автономного аппарата “ЖМК”, разработанного к этому времени
по заказу “Южморгео” для поиска и разведки запасов железо-
марганцевых конкреций (ЖМК) в Тихом океане. Первый этап
операции был отведен для обнаружения субмарины путем гидро-
локационной съемки района. Работа производилась в штормо-
вых условиях, и пуски аппарата выполнялись, когда волнение
моря уменьшалось до 4-х баллов. По результатам ГБО-съемки с
двухсторонней шириной обзора 750 м за 20 пусков аппарата цель
была обнаружена, были определены и уточнены координаты
корпуса лодки и ее отдельных фрагментов. При детальном
обследовании было получено около 40 тыс. фотоснимков, поло-
вина которых - непосредственно в зоне нахождения АПЛ. Мето-
дика обследования “точечного” объекта включала комбинацию
элементов супервизорного и программного управления аппара-
том. Командами, передаваемыми по гидроакустическому каналу,
осуществлялась коррекция курса аппарата для вывода его на
объект, а затем включалась стандартная программа для выпол-
нения фотосъемки в автоматическом режиме на высоте 6-8 м.
Эхолокационная система, дальномеры которой ориентированы в
переднем секторе обзора аппарата, обеспечивала обнаружение и
огибание препятствий, в том числе и корпуса самой лодки.
<, ®1есно® 1989 г. глубоководный комплекс, включая аппарат
Л-2 , использовался для обследования АПЛ “Комсомолец”,
затонувшей в Норвежском море. Комплекс был доставлен из
Владивостока в указанный район, и потребовалось 28 часов для
того, чтобы обнаружить субмарину на глубине 1685 м и уточ-
нить ее местоположение. Работы проводились с борта гидрогра-
фического судиа “Персей”. При отсутствии достоверной инфор-
348
Рис. 7.4. Схема обследования автономным аппаратом "Л-2" АПЛ
"Комсомолец"
мации о положении затонувшей лодки поисковая операция на-
чалась с применения буксируемого аппарата, оснащенного гид-
ролокатором бокового обзора и радиометром. Второй этап
заключался в обследовании места аварии обитаемыми аппара-
тами “Мир-1” и “Мир-2”, базировавшимися на научно-исследо-
вательском судне “Академик Мстислав Келдыш”, куда была
сообщена вся предварительно полученная информация. На за-
ключительном этапе использовался АНПА “Л-2”. За 14 дней
работы аппарат совершил 17 погружений, в результате которых
было сделано около тысячи информативных фотоснимков, на
150-ти из которых четко видны фрагменты корпуса и детали
конструкции лодки, а также спасательного модуля.
На рис. 7.4 приведены фрагменты траекторий АНПА, пере-
секающих корпус лодки, и отдельные фотоснимки, соответ-
ствующие этим траекториям. В левом верхнем углу рисунка
показано взаимное расположение лодки и спасательного модуля
(СВК).
В последующие годы поисковый комплекс совершенство-
вался и служил прототипом при создании новой глубоководной
техники. В частности, на его основе позднее были разработаны
автономные аппараты “Р-1” и “Р-2”, предназначенные для веде
ния поисково-спасательных работ на глубинах до 6000 м.
349
7 4 РАЗРАБОТКА И МОРСКИЕ ИСПЫТАНИЯ АНПА
“ТИФЛОНУС" (1986-1990)
Плодотворное сотрудничество ИПМТДВО РАН с ГУНиО,
длившееся более 10 лет, позволило разработкам И истца у га вый-
ти на уровень мировых достижении в области создания и исполь-
зования АНПА. Для сравнения можно привести автономный
аппарат "Epaulard”, созданный в 1979 г. во Франции для выпол-
нения геологической разведки на глубинах до 4000 м. По своим
принципам этот наиболее совершенны!! в то время аппарат был
подобен “Л-2”, но уступал ему по некоторым параметрам, функ-
циональным возможностям и опыту практического использо-
вания. Также немаловажно, что этот опыт сотрудничества давал
достаточно богатый материал для совершенствования техно-
логии систем и решения новых задач. К числу наиболее важных
из таких задач можно было отнести увеличение автономности и
дальности хода АНПА при выполнении различных океанографи-
ческих исследований, в том числе и в условиях работы подо
льдом. Актуальность дайной проблемы явилась основой для
осуществления нового проекта, цель которого состояла
в создании АНПА с повышенной автономностью для работы
в арктическом бассейне.
Договором, заключенным с ГУНиО в 1986 г., предусматрива-
лась разработка макетного образца аппарата, предназначенного
для проведения батиметрической съемки, гравиметрических из-
мерений, измерений фазовой структуры акустических полей
и флуктуаций течений, как в открытом океане, так и подо льдом
Арктики. Предполагаемый характер работ определил ряд спе-
цифических требований к функциональным свойствам и техни-
ческим характеристикам аппарата: достижение максимальной
дальности хода при небольших массогабаритных параметрах,
обеспечение высокой точности стабилизации в различных режи-
мах движения. Основным считался режим прямого хода, однако
требовалось также обеспечить хорошие маневренные свойства
при движении с малой скоростью и в режиме динамического
позиционирования при стыковке со специальным спуско-подъ-
емным устройством.
Необходимой предпосылкой достижения повышенной авто-
номности порядка десятков часов и дальности хода порядка
сотен километров является малое сопротивление корпуса аппа-
рата. редства, позволяющие снизить сопротивление твердого
тела при движении в вязкой жидкости, достаточно хорошо
известны [5, 6]. К конструктивным средствам, в частности,
350
Рис. 7.5. АНПА "Тифлонус"
относятся выбор оптимальной формы корпуса (смещение
максимального диаметра в носовую часть, S-образные обводы
кормовой оконечности), устранение выступающих частей, высо-
кая технология при обработке внешней поверхности. Наиболее
трудным с практической точки зрения является последнее требо-
вание. Так, описанная в [7] процедура испытаний модели тела
наименьшего сопротивления сводилась к полировке поверхности
между прогонами модели в испытательном бассейне. При этом
ставилась задача достигнуть качества обработки поверхности,
почти такого же, как в оптических приборах. Если учитывать
характер работы в море, становится совершенно очевидной
невозможность обеспечить удовлетворение данного требования.
Кроме того, невозможно исключить и конструктивные
особенности, связанные с наличием выступающих частей: аку-
стических и радиоантенн, устройств фототелевизионных ка-
мер, других элементов оборудования. Отсюда следует, что
ламинарный режим обтекания корпуса аппарата может быть
реализован лишь в лабораторных условиях, а корпус рабочего
аппарата должен быть спроектирован с расчетом на турбу-
лентный режим обтекания. Данные предпосылки были макси-
мально учтены при создании АНПА "Тифлонус , общий вид
которого показан на рис. 7.5, а конструктивная схема на рис. .6.
Аппарат имеет профильные обводы, образованные легким
стеклопластиковым корпусом с минимальным количеством выс
351
Гравиметр
Фотокамера
Аккумуляторная Прочный Эхолокаторы
батарея контейнер обхода прените гний
Поворотный Блок управления Антенна ГБО Блоки систем
попори! управления и навигации
двигатель двигателем
Рис. 7.6. Конструктивная схема АНПА "Тпфлонус"
тупающих частей. Испытания модели аппарата в аэродинами-
ческой трубе и рабочего аппарата в натурных условиях
показали, что относительный коэффициент сопротивления
(к объему корпуса в степени 2/3) составляет 0,027-0,03.
При емкости энергоисточника 300 Ач и потребляемой мощ-
ности аппаратуры пользователя Р = 30 Вт и Р = 150 Вт можно
получить расчетные значения времени автономности, дальности
хода для заданного диапазона скорости крейсерского движения
0,7-2,0 м/с. Результаты расчета приведены в таблице 7.1.
Назначением аппарата определялись также особенности его
движительно-рулевого комплекса, включающего один марше-
вый поворотный движитель и два привода, осуществляющие
поворот хвостовика со стабилизаторами в горизонтальной и
вертикальной плоскостях. Малое сопротивление корпуса аппа-
рата и, следовательно, небольшая мощность движителя должны
были обеспечить малые собственные возмущения движения. Со-
четание гидроакустической навигационной системы и измери-
телей вертикальных ускорений позволяет оценивать колебания
Таблица 7.1. Расчет автономности АНПА “Тпфлонус”
V, м/с Р = 30 Вт Р= 150 Вт
Т, час 1 D, км Т, час | D, км
0,7 84 210 46 по
1,0 63 230 39 140
1.5 34 180 25 140
2,0 18 130 15 140
352
аппарн.а » диапазоне наиболее характерных частот возмущений
И проводить прецизионные океанологические измерения на
заданных трассах движения. Управление аппаратом ос^щест
влилось с помощью локальной вычислительной сети, структура
которой может быть реконфигурирована в зависимости от за
дачи. Для коррекции выполняемой программы использовались
команды телеуправления по гидроакустическому каналу. Аппа-
рат был оснащен промерным эхолотом, гидролокатором боко-
вого обзора, трехкомпонентным магнитометром, датчиками
температуры п электропроводности, а также имеется возмож-
ность установки на выбор гравиметра, фотокамеры, видео-
системы или другой измерительной аппаратуры. Штатный ком-
плект серебряно-цинковых аккумуляторов может обеспечить
удаление аппарата от базы на расстояния до 100 км. В режиме
движения подо льдом, например, во время съемки его нижней
кромки, предусматривался также обход препятствий, располо-
женных сверху.
Поскольку предполагалась эксплуатация аппарата с ледовой
базы, были проведены исследования, конструкторские прора-
ботки и натурные эксперименты, цель которых состояла в про-
верке возможности осуществления “подледной” навигации и
приведения аппарата по сигналам акустического и электро-
магнитного маяков. Однако работы в этом направлении были
сокращены вследствие того, что финансирование договора
вначале уменьшилось, а затем и совсем прекратилось.
В дальнейшем аппарат был модифицирован и служил для
отработки новых систем и проведения ряда прецизионных
акустических и гравиметрических измерений.
7.5. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНПА МТ-88
ДЛЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ (1989)
Геологическая разведка глубоководных твердых
ископаемых проводится, как известно, в неск°л е_
И если первые этапы - региональные, поисков й
начинаются с “'о разведочные рабо-
(сеть станций от 50 х 50 до 6,-5 х о,_з ), Р на
ты и подготовка полигонов для опытной до ычи • - д0
локальных участках морского дна площадью от единиц
ДССЯТКОВ КВ. КМ. пгнППНОМ с помощью
Работы первых этапов выполняются основном.
буксируемых систем - подводных нео и
-3 Автономные 353
скаемых с судна на тросе или грузонесущем кабель-тросе. При
этом многие измерения (гидроакустическое, фото- и сеисмопро-
филпрованпе) чаще всего производятся с дрейфующего судна,
так как буксировка производится при малых скоростях на галсах
большой протяженности. По мере уменьшения изучаемой пло-
щади И увеличения степени подробности съемки буксировку
производить все сложнее: необходимо совершать все более
короткие галсы при малых межгалсовых интервалах, что стано-
вится почти невыполнимой задачей для крупных судов при
больших глубинах. Поэтому необходимо техническое перевоору-
жение геологоразведочных судов, оснащение пх средствами,
которые не предъявляли бы жестких требований к режимам
движения. Потребность в технике, с помощью которой можно
было бы покрыть ограниченную площадь густой сетью исследо-
вательских галсов, возникает не только в геологоразведке, но и
при обследовании затонувших объектов, при полигонных или
подледных комплексных научных исследованиях и во многих
других случаях.
Практический опыт, накопленный в ИПМТ ДВО РАН во
время натурных испытаний подводных технических средств
и при выполнении опытных, поисковых исследовательских работ
в океане, убеждает в большой перспективности для этих целей
автономных необитаемых подводных аппаратов.
Одно из главных преимуществ АНПА состоит в отсутствии
механической связи с обеспечивающим судном, что коренным
образом облегчает решение задачи формирования исследова-
тельских профилей (галсов). Подводный аппарат, обладая малы-
ми габаритами и хорошей маневренностью, способен точно вы-
держивать сколь угодно малые межгалсовые расстояния. Кроме
того, имея массу, не превышающую 1000 кг, аппарат может
эксплуатироваться с любого, даже небольшого, не оборудован-
ного специальными механизмами судна. Необходимо отметить
еще одну немаловажную деталь: точность автоматической стаби-
лизации параметров движения, от которой зависит качество
получаемой информации, у автономных аппаратов выше, чем у
буксируемых систем, так как исключаются возмущения, обу-
словленные механической связью с судном.
В сентябре 1989 г. с целью подтверждения возможности вы-
полнения с помощью АНПА геологоразведочных работ и от-
работки методики его использования были проведены опытно-
?Р°™'1яственнЬ1е работы в Тихом океане, в контрактном рейсе
Геолог Петр Антропов” производственного геологиче-
ского объединения “Дальморгеология”. Работы выполнялись в
354
Рис. 7.7. АНПА "МТ-88" во время морских испытаний (1989 г.)
соответствии с договором о научно-техническом сотрудничест-
ве, заключенным Институтом с международной организацией
Интерокеанметалл” [8].
Для проведения указанных работ использовался АНПА
МТ-88”, оснащенный соответствующей измерительной и науч-
но-исследовательской аппаратурой: гидролокатором бокового
обзора, набором гидрофизических датчиков, аналоговыми и
цифровыми накопителями данных (рис. 7.7).
Аналоговый сигнал гидролокатора записывался на магнит-
ную ленту в режиме амплитудной или частотной модуляции,
а после всплытия и подъема аппарата на борт судна гидролока-
ционное изображение переписывалось на электрохимическую
бумагу с помощью факсимильного аппарата. Разрешающая спо-
собность гидролокатора по дальности составляла около 0,5 м,
максимальная длительность записи в реальном масштабе вре-
мени - 6 часов.
На аппарате был установлен датчик температуры с пла-
тиновым термометром сопротивления, имеющий среднеквадра-
тичную погрешность измерения температуры ±0,02 °C. В составе
измерителей параметров среды использовался также кондукто-
метрический четырехэлектродный датчик электропроводности
со среднеквадратичной ошибкой не более 0,004 Ом/м.
В цифровой накопитель данных информационно-измери-
тельной системы заносились значения температуры, давления и
355
электропроводности. Накопитель фиксировал еще 5 произволь-
ных параметров, которые, так же как и период записи, вы-
бирались на этапе программирования работы аппарата. Кроме
того накопителями данных были оснащены и микропроцес-
сорные блоки аппарата. Одновременно фиксировались курс,
дифферент, крен, угловые скорости по курсу и дифференту,
шесть дистанций в различных направлениях относительно оси
аппарата, определяемые с помощью дальномерных гидроло-
каторов, глубина, скорость аппарата, разность между заданной
и фактической глубиной или высотой над дном. Все эти данные
после всплытия аппарата и подъема его на борт судна рас-
печатывались в цифровом или графическом виде.
На аппарате была установлена фотосистема с импульсным
светильником и видеосистема с непрерывным источником света.
Фотокамера имела запас пленки на 3000 кадров. Ось камеры
перпендикулярна продольной оси аппарата. Помимо расстояния
до дна на каждом кадре фиксировались информация об угле
дифферента и номер кадра. Видеокамера со стандартной трех-
часовой видеокассетой установливалась в носовой части под
углом 45° к продольной оси аппарата. Видеозапись велась
непрерывно или фрагментами (в соответствии с заданной про-
граммой). Изображение сопровождалось информацией о дате
и времени с точностью до минут.
При задании жестких или корректируемых программных
миссий аппарат способен двигаться по произвольным простран-
ственным траекториям в толще воды или вблизи дна с авто-
матическим обходом препятствий по сигналам многоканальной
системы гидролокаторов. Точное определение положения аппа-
рата производилось с помощью гидроакустической навигацион-
ной системы с длинной базой, в составе которой использовался
штатный комплект донных маяков-ответчиков.
Комплекс технических средств, обеспечивавший работу
аппарата, включал: аппаратуру для программирования, диагно-
стирования и настройки аппарата (на базе персональной ЭВМ);
устройства преобразования, отображения и документирования
информации (принтеры, дисплеи, факсимильные аппараты);
штатные судовые спутниковые навигационные системы; радио-
пеленгатор для поиска аппарата и маяков на поверхности после
их всплытия.
На основании данных региональных геолого-геофизических
исследований в пределах изучаемой части поля Кларион-
липпертон Тихого океана был выбран полигон площадью
, и км с различной плотностью распределения железо-
356
В пределах рабочей площади были установлены три донных
маяка-ответчика навигационной системы. Во время поХения
каждый маяк периодически опрашивался по гидроакустиков
каналу, что позволяло следить за его заглублением по ™
дисплея. r J
Географические координаты маяка определялись после
закрепления его на грунте по следующей методике. Место-
положение судна, совершавшего движение вокруг маяка по
окружности радиусом несколько километров, определялось по
спутниковой системе навигации. В момент обсервации
производился замер наклонной дальности от судовой антенны до
маяка-ответчика. Данные о глубине антенны, глубине маяка,
наклонных дальностих вводились в ЭВМ, и вычислялась го-
ризонтальная дистанция между точкой с известными коорди-
натами и маяком. Аналогичные замеры делались из других
точек, и центр области пересечения дуг принимался за точку
положения маяка. После постановки второго и третьего маяков
процедура повторялась. Местоположение маяков уточнялось
каждые два часа с помощью автоматического самоопроса мая-
ков, что позволяло точно измерить базовые расстояния между
маяками. Для уменьшения среднеквадратичной ошибки
определения географических координат количество обсерваций
было увеличено, поэтому на эти работы понадобилось около
трех суток.
После этого рабочий участок был готов для проведения
съемки: АНПА, работающий на глубине, и судно могли опре-
делять свои географические координаты с помощью гидро-
акустической системы навигации.
Каждому спуску аппарата предшествовали предпусковые
подготовительные работы: замена аккумуляторной батареи, гер
метизация приборных контейнеров, ввод рабочей программы и
ее ускоренная прогонка на аппарате, синхронизация зада*°
кварцевых генераторов, установка балласта. По при ыт -
в заданную точку аппарат спускался на воду и под д
балласта погружался по спиральной траектории.
сывался по достижении заданной глубины или расстояния до дна
"° XXX аппарат
рабочей программы. При этом включаютс Д
367
Рис. 7.8. Фрагмент фотосъемки ЖМК с помощью АНПА
стабилизации и все остальные устройства, которые во время по-
гружения были отключены для экономии электроэнергии. Нача-
ло выполнения программы можно сдвинуть во времени с по-
мощью команд телеуправления. Вмешательство оператора воз-
можно также по ходу выполнения программы. Режим телеуп-
равления оказывается особенно эффективным при необходи-
мости вывести аппарат в заданную точку. В этой операции воз-
никает необходимость, например, во время планомерной сплош-
ной съемки, выполняемой за несколько запусков аппарата, когда
каждый новый исследовательский профиль должен начинаться в
определенном месте: оператор наблюдает на экране дисплея
траекторию движения аппарата, расположение заданного квад-
рата и маяков-ответчиков и вносит нужные коррективы.
Съемка гидролокатором бокового обзора выполнялась при
стабилизации аппарата на расстоянии 30 и 40 м от дна, при от-
клонениях от заданной высоты ±0,2 м и колебаниях по диф-
ференту не более 2-4°. Ширина полосы обзора на оба борта со-
ставила 762 м. Фотопрофилирование аппаратом “МТ-88” вклю-
чало съемку с различных расстояний до дна (10, 5, 3 м), галсовый
режим работы на параллельных профилях и работу на секущих
(контрольных) профилях. Интервал съемки составлял 10 с, при
необходимости он менялся согласно программе. Качество фото-
снимков, полученных при движении на расстоянии до дна 3 м,
позволяет хорошо различать малоразмерные геологические
и биологические объекты (рис. 7.8).
358
Всплытие аппарата ппоисхопипг, „
балласта по окончании программы ре1ультате сбрасывания
контрольно-аварийной системы Пят ИЛИ ПрИ сРабать,вании
аппарат преодолевал за 50-60 мин и и^илометРовУю глубину
спсзорадиомаяк, и осуществляя"'
навигационной системы и радиопеленгатора, а когда аппарат
появлялся в пределах видимости, спускался катер или шлюпка и
на аппарате закреплялись стропы для подъема на борт
На последнем этапе опытно-производственных работ были
снять, маяки-ответчики. Судно с заглубленной гидроакусти-
ческой антенной выходило в ^очку постановки маяка оператор
навигационной системы переводил судовой блок в режим
вызова, и в течение нескольких минут передавались команды на
всплытие. После приема команды срабатывал расцепитель яко-
ря, и маяк под действием выталкивающей силы блока пла-
вучести начинал всплывать.
Проведенные опытно-производственные работы с “МТ-88”
подтвердили возможность выполнения автономным аппаратом
гидролокационного, фото- и видеопрофилирования дна с про-
кладкой профилей в любом заданном направлении и одновре-
менным измерением гидрофизических параметров как по глу-
бине при спусках и подъемах, так и по профилям. Подтверждена
также перспективность применения аппарата на последующих
стадиях разведочных работ - для детального исследования
запасов железо-марганцевых конкреций на отдельных участках
дна с точной навигационной привязкой результатов съемки.
7.6. РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
АВТОНОМНО-ПРИВЯЗНОГО АППАРАТА “TSL” (1994-2002)
Проект автономно-привязного аппарата “TSL (Tunnel Sea
Lion) был разработан в 1994 г. по предложению частной фирмы
Hibbard Marine (США) для выполнения работ, связанных с
обследованием протяженных водозаполненных тоннеле!, ри
проектировании аппарата был использован опыт Д
РАН по созданию подводных аппаратов модульной конструкции*
Первая модификация “TSL” проектировалась как авт^
аппарат, предназначавшийся для инспекции техн!
стоянии внутренних поверхностей протяженных водоводов^ В
соответствии с данной задачей предусматривал!*-: о испол.
парата системами технического зрения и cne^ RnnJIb тоннеля
нительными органами для обеспечения движе пальней-
и безопасности в условиях стесненного пространства. В дальней
359
Рис. 7.9. Автономно-привязной аппарат "TSL"
шем в процессе работы над проектом конфигурация аппарата
неоднократно подвергалась модернизации, и на заключительном
этапе было принято решение оснастить аппарат оптоволокон-
ным кабелем с тем, чтобы часть функций “интеллектуального
управления передать оператору [9]. По завершении контракта
с фирмой-заказчиком аппарат в автономно-привязном варианте
стал использоваться для отработки различных систем АНПА
и проведения опытных работ по экологическому мониторингу
и изучению морских биологических объектов. Последняя моди-
фикация “TSL” изображена на рис. 7.9.
Для обеспечения придонных обследовательских работ аппа-
рат оснащен телевизионной системой, гидролокатором сектор-
ного обзора и рядом других устройств вспомогательного значе-
ния. Использование ГСО позволяет производить работы в усло-
виях плохой видимости (в мутной воде). Система управления
“TSL”, особенности архитектуры которой отмечались в гл. 2,
обеспечивает оперативный поиск и обследование объектов с пе-
редачей текущих ТВ и ГСО изображений и другой информации
в пульт оператора на борту судна.
Навигационное обеспечение, включающее приемник спут-
никовой навигационной системы GPS, экспериментальную
ГАНС-УКБ и бортовую автономную навигационную систему
(БАНС), позволяет осуществлять привязку траектории движения
“TSL” и определять координаты обнаруженных объектов в абсо-
360
ЛЮТНОЙ географической систра
ведения опытных работ строится с vu °Рдинат_ Методика про-
характера района и специфики vnnannCu°M осо6енностей задачи,
оптоволоконным кабелем на очень малом ДВИЖением аппаРата с
Перед выполнением работ иа XT ”7 Т"
бивается ня vnacTvu п-, к а шельФе заданный район раз-
бивается на участки. Для обследования участка обеспечивающее
судно становится на якорь в центре участка. Размеры =
обычно не превышают 500 м и определяются длиной опто-
кабеля, который может быть вымотан с катушки иа “TSL” пои
обследовании участка. Предварительный поиск целей выпол-
няется посредством ГСО, дальность действия которого состав-
ляет 25 м. Затем намеченные цели обследуются с помощью ТВС,
дальность действия которой в зависимости от прозрачности воды
составляет 2-5 м. Обычно обследование района осуществляется
сочетанием ручного н автоматического режимов управления. В
ручном режиме для покрытия участка оператор формирует
траекторию аппарата путем задания высоты/глубины, курса и
скорости движения. В автоматическом режиме оператор
запускает одну из стандартных программ-заданий, реализующих
для покрытия участка определенную траекторию. При этом в
любой момент он может приостановить выполнение программы
и обследовать конкретный объект в ручном режиме, а затем
возобновить выполнение прерванной программы.
Структурная схема полного комплекса систем аппарата
“TSL”, изображена на рис. 7.10. Функционально аппарат состоит
из комплекса систем, каждая из которых реализует свою работу
под управлением бортового компьютера. Все системные модули
связаны стандартными каналами обмена в единую сеть, функ-
ционирующую под управлением операционной системы реаль-
ного времени QNX. Общее логическое управление осущест-
вляется системой программного управления (СПУ), реализо-
ванной на основе автопилота. Система программного управления
состоит из постоянной и переменной частей. Постоянная часть
СПУ настроена на конкретное исполнение и состав аппарата.
Она включает программы работы отдельных систем аппарата,
программы управления нижнего уровня, программы накопления
и обмена данными с отдельными системами, контроль
аварийную систему и т.д. ___
Переменная часть СПУ, называемая миссией или ОТа^
мой-заданием, представляет собой последовательностикоманд
программирования аппарата. Оиа готовится и Р —
перед запуском и соответствует заданию на Д“нЫй запуСщПро
грамма-задание включает определенные команды для постоян
361
Рис. 7.10. Структурная схема комплекса "TSL”
иой части СПУ, которые определяют время и параметры работы
отдельных систем аппарата. Команды программирования
аппарата представляют собой подпрограммы, написанные на
языке С. Они включают процедуры формирования траектории
движения, процедуры работы бортовых устройств и процедуры
обработки событий.
362
„p."Pz:“X" ™-«
аааУском аапаГата-ОлнакД^оН'1и)жомекомаил))ожет яалатьга
не только программа-задание но ™ мижег являться
система (КАС)Р или лю^бой
ПЭРаТ0М СебЯ (НаП₽ИМеР’ “ обработки
Оператор может запускать заранее подготовленные фраг-
менты миссии или посылать отдельные команды, которые в
режиме Operator генерируются автоматически при изменении
численных значений параметров движения в управляющем окне
оператора или при манипулировании джойстиком. Контрольно-
аварийная система имеет в своей библиотеке ряд заранее подго-
товленных программ-заданий на случай возникновения той или
иной аварии. Координацией выполнения поступающих команд
занимается диспетчер. Поскольку команды в диспетчер могут
поступать одновременно от нескольких источников, диспетчер
выстраивает их в очередь в соответствии с приоритетами (выс-
ший приоритет, например, имеют команды от КАС). При не-
обходимости диспетчер может временно прерывать выполнение
той или иной команды или полностью прекращать ее испол-
нение. В задачи диспетчера также входит контроль заданного
времени исполнения команд.
При получении команды диспетчер запускает программу
реализации данной команды и выставляет соответствующий
признак, означающий, что команда принята к исполнению. По
окончании выполнения команды, выставляется признак, что
команда выполнена. Программа-задание контролирует данный
признак и в соответствии с ним посылает в диспетчер новую
команду. Подпрограммы реализации команд, которыми управ-
ляет диспетчер, работают непосредственно с драйверами устрой-
ств или с программами исполнительского уровня. Программы
исполнительского уровня включают регуляторы, программы
предварительной обработки и накопления данных, подпро
грамму счисления координат н т.д. Драйверы устройств ищр
граммы исполнительского уровня запускаются пр
лизации СПУ и работают постоянно с определенными аранее
периодами. Непосредственно с драйверами м г. р
ТВС, ГСО. ОМ„зображен.п
чивающее судно и бортовую систез у р
(СОИ).
363
В состав ТВС входят две видеокамеры, одна из которых
смонтирована на поворотной платформе и обеспечивает перед-
нюю видеосъемку в широком диапазоне углового обзора, другая
видеокамера ориентирована вертикально вниз и предназначена
для съемки дна и формирования ТВ-сигнала для системы
обработки изображений. Для захвата и ввода кадров изобра-
жений в компьютер СТЗ используется видеограббер. Он обеспе-
чивает оцифровку в реальном времени аналогового видео-
сигнала и запись текущего изображения в память впдеограббера
по команде компьютера СТЗ. Передача записанного изобра-
жения из видеограббера в компьютер СТЗ осуществляется по-
средством стандартного интерфейса ISA.
Гидролокатор секторного обзора обеспечивает дальность
обзора 25 м и угловое разрешение 1°. Период работы, за кото-
рый локатор выполняет полный оборот, равен 20 с. Шаг дис-
кретизации между соседними направлениями зондирования
составляет 0,3 градуса. Сформированное цифровое изображение
преобразуется в прямоугольное представление в стандартный
*.Ьтр формат и доставляется посредством системы передачи
изображений в пульт оператора. Последняя включает видео-
граббер, видеокоммутатор и оптоволоконную систему связи. Она
обеспечивает передачу либо видеоизображений от горизон-
тальной или вертикальной ТВ-камеры, либо ГСО-изображений
на ТВ-монитор оператора.
Система обработки изображений предназначена для авто-
матического выделения на изображении заданных объектов,
определения их координат и ориентации в кадре и передачи этих
данных в систему управления движением аппарата для орга-
низации обследования объектов.
Навигационное обеспечение работы “TSL". Навигационная
привязка траекторий движения аппарата “TSL” и обеспечиваю-
щего судна осуществляется посредством совместной обработки
информации от GPS, ГАНС-УКБ и БАНС. Спутниковая нави-
гационная система GPS установлена на обеспечивающем суд-
не и предназначена для формирования его географических
координат (широты и долготы). Посредством ГАНС-УКБ,
работающей с периодом т= 15 с, рассчитывается местополо-
жение ПА относительно обеспечивающего судна. В проме-
жутках между тактами работы ГАНС-УКБ местоположение
аппарата счисляется на основе бортовой автономной нави-
гационной системы. В состав последней входят доплеровский
лаг (ДЛ), датчик глубины, а также система навигационно-
пилотажных датчиков, включающая магнитный компас, датчики
364
sxzsи крена’датчики угловь1х ск°р°-* - кУрсУ „
инфор^ии" hhXXZT Д™В " П0СТуПЛеНИе
с системой навигацио™ХХа^ Свявь автопилота
через контроллер,"а
непосредственно в автопилот и совместно с другими дХ,ми
используются для вычисления местоположения аппарата
В конфигурации ГАНС-УКБ для аппарата “TSL” приемник
навигационных сигналов установлен на борту аппарата а ис-
точник навигационных сигналов установлен на обеспечивающем
судне. Решение навигационной задачи состоит в определении
пеленга и дистанции до обеспечивающего судна и вычислении по
этим данным координат аппарата. Полученные координаты
передаются по линии связи на борт судна для отображения
траектории движения аппарата на судовом мониторе.
Для привязки местоположения к географическим координа-
там в системе используется приемник GPS фирмы Trimble Navi-
gation, Погрешность определения координат приемником в
обычном режиме составляет около 10 м, при осреднении данных
погрешность может быть уменьшена до 5 м. Связь приемника
GPS с компьютером пульта оператора осуществляется посред-
ством последовательного канала обмена. От приемника GPS в
компьютер пульта оператора поступают данные о текущем вре-
мени, достоверности передаваемой информации, широте н долго-
те (в градусах, минутах и десятых долях минут), текущем полу-
шарии, скорости (в узлах), курсе (в градусах), текущей дате (день,
месяц, год), а также о магнитном склонении в данном месте.
Использование “TSL" для гидробиологических исследований
на шельфе [10]. В настоящее время для оценки запасов донных
биоресурсов на глубинах более 20 м используется траловый ме-
тод, при котором на указанном участке с помощью донного тра-
ла захватываются все расположенные на дне объекты. Этот ме-
тод позволяет оценить на участках с относительно ровным дном
видовой состав, численность и суммарный вес гидробионтов в
районе работ. Если на дне имеются неровности, то трал пропус-
кает такие участки, и данные о составе и численности осо е
оказываются неточными. Кроме того, данная методика непр!
менима в районах с рельефом дна, где имеются скалы, крупные
валуны, или в местах, где судоходство опасно или невозмо .
Альтернативным подходом для оценки запасов мор^
ресурсов, пригодным для использования в места-J" в
ченным донным рельефом, вблизи рифов, на n
365
зонах больших прплнвов/отлнвов, является применение техно-
логин основанной на использовании необитаемых подводных
аппаратов, оснащенных видео- п акустическим оборудованием
для обследования дна. тт.ипо
в 199i_i992 гг. ИПМТ ДВО РАН и 1ИНРО выполняли
совместно работы по обследованию полей морских водорослей с
использованием необитаемых подводных аппаратов - АНПА
"Скат" и ТПА "Макс-2" [II]. В июле-октябре 2001 г. ИПМГ и
ТИНРО-центр продолжили исследования с применением разра-
ботанного в ИПМТ подводного аппарата "TSL". Задача иссле-
дований состояла в выполнении обзорной маршрутной съемки
дна на глубине до 80 м с получением черно-белых и цветных
видеоизображений донных гидробионтов при одновременном
определении температуры, глубины, координат места и времени
съемки.
На первом этапе исследований использовалась черно-белая
видеосистема Micro-SeaCam. Работы проводились в районе ост-
ровов и в прибрежной части. Скорость движения аппарата над
дном во время съемки составляла в среднем 0,5 м/с при высоте
съемки 1 м. Суммарный пройденный путь составил около 5700 м,
и была покрыта обзором площадь около 20000 м2. На заключи-
тельном этапе работы осуществлялась съемка цветной видео-
камерой Panasonic WV-CP410 при скорости 0,4 м/с и высоте дви-
жения аппарата над дном 0,8 м. Суммарный пройденный путь
равен 1600 м, а покрытая обзором площадь составила около
4500 м2. По результатам черно-белой и цветной видеосъемки
производилась оценка плотности гидробионтов (актиний, куку-
марии и гастропод).
При работе привязного аппарата вблизи дна возможно запу-
тывание оптокабеля за донные объекты (камни, траву, пред-
меты искусственного происхождения). Для уменьшения вероят-
ности запутывания кабеля во время съемки использовались, в
основном, радиальные траектории - аппарат выполнял галс за-
данной длины в указанном направлении и в конечной его точке,
сместившись на расстояние, достаточное, для того чтобы снимае-
мые участки не перекрывались, возвращался к обеспечиваю-
щему судну. Таким образом, в зависимости от высоты движения
над грунтом он покрывал полосу шириной 4-6 м. В целях
безопасности длина галса выбиралась таким образом, чтобы она
не превышала половину длины имевшегося на катушке аппарата
оптокабеля и составляла 100-150 м. Таким образом, за один за-
пуск величина покрываемого съемкой участка составляла 400—
800 м2. После этого аппарат поднимался на борт судна, и на ка-
366
тушку наматывался оптокабель, вымотанный с нее в процессе
^nZcnST — в следующих за^н^
Расчет плотности распределения донных объектов прово-
дился следующим образом. Видеозапись с места съемки
разбивалась на кадры с определенным шагом и подсчитывалось
количество морских особей определенного вида в каждом кадре
а также вычислялась площадь дна, попавшая в кадр Далее
вычислялась средняя плотность особей в кадре. На основе
полученных данных строились графики изменения плотности
поселения особей вдоль траектории движения в зависимости от
времени или от номера кадра. При этом каждому кадру
приписывались координаты, полученные в процессе съемки на
основе GPS и бортовой автономной навигационной системы.
Также определялись суммарная площадь дна, отснятого во время
съемки, и полное количество особей.
Время, затрачиваемое на выполнение одного запуска, состав-
ляло в зависимости от волнения моря и глубины места съемки
1,5-2,5 час. В среднем за 8 час работы можно осуществить около
4-х запусков аппарата и при этом покрыть район площадью
300 X 4 X 4 м2 = 4800 м2, т.е. 600 м2/час. Для сравнения можно
привести оценку производительности выполнения данных работ
с использованием АНПА. Так, при времени непрерывной рабо-
ты 8 час, скорости движения аппарата 1 м/с и высоте съемки 2 м
производительность АНПА может составлять около 115 тыс. м-.
К очевидным преимуществам АНПА следует отнести также от-
сутствие ограничений, обусловленных кабелем. В данном случае
сохраняется лишь ограничение на продолжительность и интен-
сивность работы аппарата, определяемое емкостью его аккуму-
ляторных батарей.
К недостаткам использования АНПА для выполнения
данного типа работ можно отнести ограниченные возможности
оперативного доступа к текущей визуальной и измеряемой
информации и изменения программы-задания в зависимости о
возникшей ситуации.
7 7 ОПЫТ ГИДРОЛОКАЦИОННОЙ СЪЕМКИ
ПРИБРЕЖНЫХ АКВАТОРИИ
В УСЛОВИЯХ ПРЕДЕЛЬНОГО МЕЛКОВОДЬЯ
Классическая методика использования ГБО предполагает
прямолинейное перемещение носителя лР‘е‘ //над иссле-
тенны с постоянной скоростью на заданной высоте Н над иссл
367
дуемой поверхностью морского дна. Как. правило, это рас-
стояние выбирается примерно равным 0,1 где под
имеют в виду максимальную дальность действия ГБО.
При работе в глубоководных районах Мирового океана или
на шельфе при глубинах бассейна не менее нескольких десятков
метров выполнение условия Н = 0,1 обычно не вызывает
затруднений. Вредное влияние взволнованной морской поверх-
ности в виде помех на гидролокационном изображении мини-
мизируется путем заглубления носителя антенн ГБО ниже
половины глубины места, а влияние качки - фактора, особенно
существенного при использовании буксируемых устройств
(БПА), — устраняется почти полностью при использовании
АНПА в качестве носителей. Как показала многолетняя
практика гидролокационных съемок, при заглублении АНПА на
10-15 м влияние морского волнения незначительно, и это обес-
печивает практически идеальное для ГБО качество движения:
рыскание и колебания дифферента не превышают 0,3-0,5°.
Ситуация, однако, представляется почти тупиковой при необ-
ходимости производить гидролокационную съемку обширных
прибрежных акваторий с глубинами менее 2-5 м, особенно если
они открыты для непрекращающейся океанической зыби.
Характерной особенностью таких акваторий является наличие
сильного прибоя, обусловленного разрушением волн зыби на
многочисленных параллельных берегу барах. Ширина зоны
прибоя может достигать 0,5-1 км, что очень характерно, напри-
мер, для восточного побережья о. Сахалин. Несмотря на ряд
принципиальных преимуществ АНПА в иных ситуациях, в дан-
ном случае его использование в качестве носителя ГБО исклю-
чалось. В относительно спокойных местах на прибрежном
мелководье (с глубинами менее 1 м, куда большие волны прибоя
уже не доходят) главной проблемой становится наличие густой
подводной растительности, сильно затрудняющей использование
и буксируемого варианта ГБО. Прибой создает во всей зоне
обзора ГБО сильную турбулентность, причем водная масса,
насыщенная воздушными пузырьками разных размеров, стано-
вится источником акустических шумов и оказывается малопро-
зрачной средой для зондирующих импульсов, особенно высоко-
частотных, в связи с чем использование высокочастотного гид-
ролокатора представлялось проблематичным. Поэтому было
решено ^использовать низкочастотный буксируемый вариант
В состав установленного на БПА буксируемого комплекса
ГБО вошли: собственно буксируемое устройство с управляемым
368
обработки сигналов ГБО <я. St" еЛ“ТкР°"яьй 6л“ "I»"’
блоки питания, приемник GPS cvnnnnr НЫХ пР°ЦессоРов),
буксировочное оборудование Накоппо К0МпьютеР’ кабельно-
сигналов и навигационной информации Ср/Ховдлось на
“с°РсДИСКе СУД0°ð К0МПЬ1°теРа- Как правило, первичные
rBO/GPS-данные дублировались на дополнительном твердом
диске и периодически сбрасывались на компакт-диск При
необходимости первичные данные еще в экспедиционных
условиях подвергались Дополнительной предобработке. Напри-
мер, предобработка GPS-данных позволяла путем учета дина-
мики БПА и судна-буксировщика, а также других дополнитель-
ных факторов, повысить относительную точность навигации до
5—8 м.
Наиболее трудным оказался выбор приемлемой методики
съемки и способа буксировки в условиях предельного мелко-
водья и неблагоприятных погодных факторов. Обычно практи-
куемые методики с использованием системы перекрестных
галсов и с рекомендуемыми величинами заглубления БПА почти
всегда оказывались неадекватными, поэтому предпочтение было
отдано движению перпендикулярно береговой черте. При этом
бары пересекались почти под прямым углом, а направление волн
прибоя было встречным. Буксировка навстречу прибою, во-
первых, обеспечивала более безопасное плавание, не исключав-
шее, однако, эпизодических касаний и даже ударов БПА и судна-
буксировщика о дно. Заглубление БПА не превышало величины
осадки судна (0,8 м), при этом антенны ГБО были вынуждены
работать в кильватерной струе. Во-вторых, перпендикулярные
бары меньше затеняли дальние объекты и были сами менее
заметны на эхограммах. При движении параллельно барам на
высотах 1-2 м над дном уже ближайший бар высотой 0,5 м
полностью затенял дальнюю и среднюю зоны обзора. Примерно
такой же механизм обеспечивал снижение экранирующего
влияния волн прибоя и уменьшение помех из-за рассеяния на них
зондирующих импульсов.
В особо неблагоприятных погодных условиях приходилось
отказываться от режима буксировки с управляемым крылом и.
придавая крылу максимальный угол атаки, заглу лять
непосредственной близости от кормы судна-буксировщика._IIpi
этом вследствие повышенного уровня шумов, дальность оо р
часто приходилось снижать до 187 м. Но главным' не
приятным фактором оказалось поперечное рыска
2*1 Автономные
369
Рис. 7.11. Фрагменты гидролокационных изображений, полученных на
акваториях порта Поронайск с помощью низкочастотного (82/85 кГц)
ГБО
а - движение по мелководному входному фарватеру со стороны моря в
направлении берега перпендикулярно береговой черте. Преобладающий мате-
риал грунта - песок и ил; б - движение в самом порту вдоль фарватера реки
Поронай. По берегам реки отчетливо видны портовые сооружения
кильватерной струе. Тем не менее неидеальное в целом качество
такого обзора вполне оправдывалось возможностью выполнять
съемку в условиях, когда другие методы обзора принципиально
уже не работали.
В качестве иллюстрации на рис. 7.11 приведены образцы
гидролокационных изображений, полученных на Сахалинском
побережье Охотского моря. На рис. 7.11 а слева за отчетливым
изображением песчаной косы просматриваются кусты подвод-
ной растительности. В верхней части преобладают илистые
массивы, примыкающие к устью реки. Справа видны изобра-
жения малых прибрежных баров. Нижняя, зашумленная часть
эхограммы соответствует прохождению больших баров со сто-
370
как'’галсР ш.^Хнгияй’для Гв^ХмкГ^Т'™ ВИДНЬ'’
•v- „„ „о.oS~sp:
шов™ эхограмма,. лолучеииых „ гал„, a,,lc.,P„u<
7.8. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО
ПРОФИЛОГРАФА ДЛЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА МОРСКОГО ДНА
Разработанный в ИПМТ ДВО РАН акустический профило-
граф предназначен для поиска донных объектов и для опре-
деления тонкой геологической структуры морского дна. В
основу действия профилографа положен принцип отражения
акустических импульсов, распространяющихся в воде и грунте,
от всех границ раздела. Таковыми являются: границы раздела во-
да-дно, объекты искусственного или естественного происхож-
дения, находящиеся на дне либо в толще дна, например, трубо-
проводы, затонувшие суда, скопления газовых пузырьков,
газонасыщенные выходы нефти в толще воды или в толще дна, а
также границы раздела между отдельными слоями морских
осадочных пород. В качестве носителя антенного блока могут
использоваться буксируемые или автономные подводные аппа-
раты, пассивные буксируемые и навесные устройства.
Технические характеристики профилографа
• диапазон рабочих частот, кГц
• глубина прозвучивания, м
• разрешающая способность по глубине, м
• ширина характеристики направленности, град
• приведенный уровень звукового давления, Па
• масса подводного антенного блока в воздухе
без носителя, кг
• масса подводного антенного блока в воздухе
с носителем, кг
3-8
100
0,5
40+20
2 104
30
60
В состав профилографа входят: подводный антенный блок с
носителем, приемо-передающий блок, персональный компьютер
и автономный блок питания. Для буксировки антенного блока
используется кабель-трос длиной 50 м и судо J
Профилограф сопряжен с приемником спутниково
ной системы^ что делает возможной привязку данных профи
лирования морского дна к географическим етыоех-
Антенный блок включает в себя и^Х^стеожневых
модульную антенну на основе пьезокерамических стержневых
371
Рис. 7.12. Профилограмма два с пролегающей трубой
преобразователей, приемную антенну на основе пьезоцилиндров
и соединительную кабельную коробку. Приемо-передающий
блок акустического профилографа построен на современной
элементной базе. Основой блока является сигнальный процес-
сор, который позволяет управлять работой акустического про-
филографа: формировать излучаемый импульс, производить
временную автоматическую регулировку усиления принятого
сигнала, оцифровывать его и обрабатывать, а также осущест-
влять информационный обмен с персональным компьютером по
последовательному каналу связи RS-232. Все эти операции
производятся в реальном времени. Полученная информация
сохраняется на диске и отображается в виде тенеграфических
изображений на экране компьютера. Затем изображения можно
вывести на принтер или плоттер.
Акустическое профилирование участков дна Амурского
залива. Ниже представлены некоторые результаты исследова-
ний дна Амурского залива, проведенные в 2000 г. На рис. 7.12
приведена профилограмма дна в районе залегания промыш-
ленной трубы на глубине =17 м.
На профилограмме хорошо видна верхняя граница дна, кото-
рой соответствует время прихода отраженного сигнала t} = 23 мс,
и "второе дно", которому соответствует двукратно отраженный
от дна сигнал с временем распространения г2 = 2г, = 46 мс.
Положение трубы на дне легко определяется либо по опе-
режающему приходу отраженного сигнала, либо по увеличению
372
Расстояние (км)
Рис. 7.13. Профилограмма дна с двуслойной структурой: скальным
основанием и осадочными породами
амплитуды отраженного сигнала, т.е. по контрасту записи
двукратно отраженного сигнала, для которого отсутствует
амплитудное ограничение в приемном тракте профилографа.
На профилограмме хорошо видно скальное основание
примерно на глубине 33 м, которому соответствует больший
коэффициент отражения в сравнении с фоновым. На рис. 7.13
приведена профилограмма дна в средней части Амурского
залива, глубина прозвучивания составляет =65 м. Характерная
особенность, которая просматривается на всех профилограммах,
заключается в том, что дно имеет двуслойную структуру.
Верхний слой слагается осадочными породами (песок, глина,
кремнезем, гравий), толщина которых составляет =20 м. Чехол
осадочных пород лежит на скальном основании, которое
располагается на глубине =40 м и хорошо видно по возросшей
амплитуде отраженного сигнала. Хорошо видно, что скальное
основание подвержено сильной эрозии, которая может быть
связана, например, с вымыванием известняковых пород грунто-
выми водами. В таком случае наблюдаемые на профилограмме
пещерообразные провалы в скальном грунте вполне могут быть
либо скоплением грунтовых вод, либо руслами подземных рек.
373
Расстояние (км)
Рис. 7.14. Профилограмма дна с чехлом осадочных пород и факелами в
скальном основании
На рис. 7.14 приведена профилограмма дна, также подтверж-
дающая его двуслойную структуру, однако толщина чехла
осадочных пород увеличилась до 30 м. Новый элемент профи-
лограммы - ярко выраженные вертикальные факелы, выходя-
щие из скального основания, которые не могут быть элементами
донного рельефа.
Можно предположить, что эти факелы связаны с сильным
отражением звука газонасыщенными породами или нефте-
газоносными слоями морского дна, что подтверждается и
наличием зон затенения за каждым из факелов. С учетом масш-
таба профилограммы можно отметить, что каждый факел
представляет собой куполообразную структуру высотой 10-15 м
и шириной в основании 150-200 м с нечеткой границей газовой
фракции, вызывающей эхо-сигнал с повышенной амплитудой,
ниже которой хорошо видна зона тени, характеризующаяся
малым уровнем отраженного сигнала.
Можно также отметить, что эхо-сигнал, соответствующий
скальному основанию, сильно размыт во времени. Это говорит о
том, что само скальное основание не имеет монолитной струк-
туры, а скорее состоит из нагромождения скальных облом-
ков (рухляка), характерных для срединной части разлома земной
374
Рис. 7.15. Профилограмма дна с чехлом наносных осадочных пород и
крупноблочным основанием
коры, который и привел к образованию Амурского залива. Эта
крупноблочная структура может быть достаточно прозрачной
для газонасыщенной жидкой фракции, поднимающейся в виде
факелов на этой профилограмме из глубинных слоев скального
основания.
На рис. 7.15 приведена профилограмма дна в поперечном
разрезе Амурского залива на траверзе мыса Россета. Хорошо
виден слоистый чехол осадочных пород, мощность которого
увеличивается с 10-12 м на акватории, прилегающей к городу, до
30-35 м на противоположной части залива. Это свидетельствует
об определяющем влиянии реки Раздольной на весь процесс
формирования донной структуры Амурского залива, а чехол
осадочных пород непосредственно вынесен рекой и осажден на
скальное основание залива. Само скальное основание не имеет
монолитной структуры и также характеризуется крупноблочной
структурой с незеркальным отражением эхо-сигнала.
Можно отметить, что все полученные данные отличаются
высокой разрешающей способностью по глубине, составляющей
0,5-1,Ом, что позволяет получить детальную карту дна Амур-
ского залива и существенно дополнить данные сейсмопрофи-
лирования, для которого разрешающая способность по глубине
375
составляет =100 м. Предположения о наличии нефтегазоносных
слоев в толще дна Амурского залива хорошо подтверждают
положительный прогноз ученых ТОЙ ДВО РАН на содержание
нефти-газа, сделанный ранее по результатам сепсмопрофплп-
рования дна Амурского залива.
Исследование донной структуры акватории портов ост-
рова Сахалин. Одним из важных применений профилографа
является обследование акватории морских портов с целью обес-
печения геологических, инженерно-технических работ, безопас-
ности судоходства и поиска подводных объектов, лежащих на
морском дне. В сентябре-октябре 2001 г. по заказу организации
Тидротекс" экспедиционным отрядом ИПМТ ДВО РАН были
проведены работы по обследованию акваторий наиболее
крупных портов о. Сахалин.
В качестве носителя антенного блока профилографа исполь-
зовалось пассивное буксируемое устройство (БУ). Антенный
блок профилографа включал в себя соединительную кабельную
коробку, две антенны - излучающую, состоящую из четырех
модулей, выполненных на основе пьезокерамических стерж-
невых преобразователей, и приемную - на основе пьезоци-
линдров.
Как показал предыдущий опыт использования акустического
профилографа для исследования глубинной структуры морского
дна [12-15], наиболее эффективно применение широкополосных
импульсных сигналов в диапазоне 3-8 кГц. В этом случае от-
четливо диагностируются тонкие структуры морского дна и
достаточно большая глубина прозвучивания - до 100 м. Однако
поскольку глубина исследуемых акваторий составляла 2-6 м, а
иногда и 0,5 м, в качестве излучаемого сигнала использовался
короткий тональный сигнал с частотой 6 кГц и длительностью
0,5 мс. Такой режим позволил уменьшить мертвую зону приема,
но вследствие малой энергетической мощности излучаемого
сигнала ухудшилось качество профилограмм и уменьшилась
глубина прозвучивания.
Наилучшие результаты профилографической съемки на-
блюдаются обычно при глубине моря более 10 м, так как
отраженный от донной поверхности сигнал пространственно
разделяется с его реверберацией, связанной с послезвучанием
антенны, корпуса БУ, а также рассеянием звука от возмущен-
ной поверхности и пузырьков воздуха. Заглубление БУ с антен-
ной профилографа позволяет исключить влияние качки и
снизить уровень реверберации от поверхности моря, но при этом
на профилограммах появляются помимо отраженного от грунта
376
Рис. 7.16. Пример профилограммы по трассе буксировки
сигнала еще сигналы, распространяющиеся по траекториям
следующих типов: н
а) с отражением от поверхности моря;
б) с отражением от поверхности моря, затем от дна (донных
структур);
в) с отражением от поверхности, затем от дна и еще раз от
поверхности;
г) с отражением от поверхности и еще раз от дна.
Сигналы типа "б-в" наблюдаются на профилограммах, полу-
ченных от акустически жестких донных структур. На рис. 7.16
представлена профилограмма с некоторыми из перечисленных
выше отраженных сигналов. Съемка проводилась в режиме бук-
сировки антенны профилографа на глубине 11-16 м со ско-
ростью 2 м/с, при глубине моря =40 м.
На рис.7.16 позициями 1-5 обозначены следующие отраже-
ния сигнала:
1 - от донной поверхности,
2 - от второго слоя осадочных пород (песка, глины, щебня).
3 - от поверхности моря,
4 - от второго слоя осадочных пород + от поверхности моря,
5 - от донной поверхности + от поверхности моря (глубина
моря).
Следует отметить, что для лучшей классификации донных
структур целесообразно проводить профилографическую съем-
ку, не заглубляя БУ.
При обследовании акватории порта для максимального
охвата всей площади выполнялись, как правило, параллельные
галсы (рис. 7.17), расстояние между которыми выбиралось
равным =50 м. Навигационная привязка точек съема профило-
377
Рис. 7.17. Профилограмма дна акватории порта г. Холмска по трассе
движения
графической информации осуществлялась с помощью прием-
ника GPS. Полученные навигационные данные подвергались
сплайн-интерполяции. На рис. 7.17 приведена профилограмма
дна акватории порта г. Холмска. Как видно из рис.7.17, состав
грунта отличается довольно большим разнообразием. На боль-
шей части галса, ограниченного точками (2-3), преобладает
скальный грунт, что характеризуется довольно большим
уровнем отраженного сигнала, хорошо заметно второе отраже-
ние от дна. Затем следует россыпь крупных камней, которая
продолжается на следующем галсе (точки 3-4).
На профилограмме заметно сильное затемнение, идущее от
донной поверхности вглубь, что характерно для отражения от
неровной, многократно отражающей структуры. Далее следует
участок с акустически мягким грунтом - песком с примесью
галечника. И на обратных галсах качественная картина
структуры морского дна почти не меняется.
На рис. 7.18 представлена профилограмма дна акватории
порта г. Невельска. Начальный участок характеризуется до-
вольно слабым отражением акустического сигнала, грунт -
песок с примесью гальки.
Затем следует участок хорошо слежавшихся осадочных
пород, видно наличие второго придонного слоя осадочных пород.
Далее второй слой постепенно размывается и следует участок с
каменистым грунтом. В области впадины грунт состоит из песка,
378
Рис. 7.18. Профилограмма два акватории порта г. Невельска по трассе
движения
Рис. 7.19. Профилограмма дна акватории порта г. Корсакова по трассе
движения
мелкой гальки, покрытых тонким слоем ила. Затем картина
повторяется - начинается область скального грунта и т.д.
На рис. 7.19 приведена профилограмма дна акватории порта
г. Корсакова.
Грунт большей частью скалисто-каменистый, с заметными
складками рельефа. На начальном же участке и в ряде других
379
Рис. 7.20. Профилограмма дна акватории порта п. Кайган по трассе
движения
мест, как видно из профилограммы, грунт состоит из легких
осадочных пород.
На рис. 7.20 приведена профилограмма дна акватории порта
п. Кайган. Акватория порта включает в себя устье реки с
выходом в открытое море.
Грунт по своему составу однороден и представляет из себя
песчано-илистую смесь, в некоторых местах присутствует галь-
ка. Аналогичные данные были получены в акватории порта
г. Поронайска, поскольку акватории этих портов мало чем
отличаются, оба они расположены в устьях рек, оба со стороны
Охотского моря.
Таким образом, акустический профилограф позволяет ус-
пешно решать задачи по обследованию донных структур
мелководных бухт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Еще сравнительно недавно о глубоководных исследованиях и
аппаратах, погружающихся в морские глубины, говорили как о
научной экзотике, неизменно связывая это с различного рода
приключениями, чрезвычайными происшествиями и неразгадан
ними явлениями в океанских просторах. При этом, несмотря на
возросший интерес к глубоководным средствам исследования
океана, на первоначальном этапе создания и использования
подводных аппаратов речь шла преимущественно о решении
достаточно однотипных частных задач, связанных с измерения-
ми параметров водной среды, обзором участков дна, поиском и
обнаружением затонувших объектов. Однако уже на этом этапе
выявился целый ряд особенностей, характерных для различных
типов необитаемых подводных аппаратов - буксируемых, теле-
управляемых, автономных, и получили практическую оценку их
достоинства и недостатки.
В настоящее время исследование океанов и морей из области
чисто гуманитарных или сугубо прикладных задач становится
задачей большого социально-экономического значения. Многие
государства расширяют масштабы научных океанологических
исследований, осуществляют долгосрочные программы по
изучению и экологическому мониторингу водной среды с
переходом к массовым, регулярным измерениям в толще вод и
вблизи дна океанов. Кроме того, имеется обширнейший ряд
прикладных, производственных и военных задач, решение кото-
рых связано с применением глубоководной техники.
Важную роль в решении многих задач в настоящее время
играют автономные необитаемые подводные аппараты
(АНПА) - автономные подводные роботы, способные по-
гружаться на любые глубины океанов и морей и осуществлять
длительные и трудоемкие работы по сбору информации в
условиях сложной среды. Стремительное развитие средств
вычислительной техники, спутниковой навигации и связи
позволяет создавать подводные роботы, способные длпт^’)Ое
время автономно работать в океане. Не случа> но, напр . р,
одну из статей, опубликованную в 1990 г. в журнале
Technology", ее авторы B.S. McCartney P.G. Collar озаглавили
"Autonomous Submersibles - Instrument Platforms ot the Futu
381
("Автономные подводные аппараты - измерительные платфор-
мы будущего").
Мировой опыт в области морских технологии еще весьма не
велик многие важные задачи только "вырисовываются" па фоне
очевидных технических проблем, обусловленных спецификой
подводной среды и характером самих решаемых задач. Тем нс
менее уже достигнуты значительные успехи в таких
практических работах, как поиск и обследование объектов в
районах глубоководных аварий, инспекция инженерных соору-
жений и коммуникаций, геологическая разведка, съемка и
картографирование рельефа дна, экологические и биологи-
ческие исследования в прибрежных акваториях, освещение
обстановки в подводном пространстве.
К числу научно-технических проблем, от решения которых
зависит будущее автономных подводных роботов, можно
отнести: радикальное повышение автономности на основе новых
энерготехнологий и высокоточных средств навигации, создание
"интеллектуальных" систем управления и ориентирования в
подводном пространстве, организацию робототехнических комп-
лексов, распределенных системных архитектур, средств связи и
дистанционного (супервизорного) управления. В связи с этим
можно отметить тенденцию к сближению функциональных
свойств автономных и телеуправляемых подводных роботов и
созданию достаточно универсальных информационно-взаимо-
действующих комплексов из относительно простых, надежных и
эффективных аппаратов. Вероятно, некоторые из отмеченных
проблем найдут свое разрешение в ближайшее время. Так,
создание малых, дешевых и эффективных автономных аппа-
ратов с энергопитанием от солнечных батарей дает возможность
реализовать автоматизированную сеть океанографических
измерений и освещения подводной обстановки на обширных
просторах Мирового океана. Результаты исследований в этом
направлении, отраженные в настоящей монографии, убеждают в
том, что на этом пути можно ожидать значительный прогресс.
Этой же цели служат разработки и успешные применения новых
энергоемких источников питания, пригодных для работы на
борту автономных подводных роботов.
Аналогичные успехи могут быть достигнуты при создании
высокоточных систем подводной навигации на основе инте-
гральной обработки информации, поступающей от различных
источников: бортовых автономных, гидроакустических и спут-
никовых систем. Многие современные автономные аппараты
уже имеют в своем составе навигационные комплексы,
382
позволяющие осуществлять коррекцию своего местоположения
при выполнении работ, связанных с повышенными требова-
ниями по точности навигации.
Что касается создания "интеллектуальных" подводных робо-
тов с адаптивным поведением в условиях информационной нео-
пределенности и ориентированием в пространстве, то прогресс в
этой области может быть особенно ощутим, если учесть темпы,
характерные для электроники и компьютерной техники вообще.
Созданные в последние годы автономные подводные аппараты
во многих отношениях уже могут служить прототипами для
аппаратов следующего поколения. Преемственность при созда-
нии новых более совершенных аппаратов и их систем служит
основой будущих подводных робототехнических комплексов.
ЛИТЕРАТУРА
К главе 1
1. Агеев МЛ, Касаткин Б.А., Киселев Л.В. и др. Автоматические подводные
аппараты. Л.: Судостроение, 1981. 223 с.
2. Автономные подводные роботы для глубоководных исследовании //
Судостроение. 1990. № 12. С. 6-10.
3. Автономные необитаемые подводные аппараты / Под общ. ред. М.Д. Аге-
ева. Владивосток: Дальнаука, 2000. 272 с.
4. Агеев МЛ, Киселев Л.В.. Рылов Н.И. Актуальные вопросы создания и
использования автономных необитаемых подводных аппаратов. Ч. 1,2. М.,
2003. (Мехатронпка, автоматизация, управление; № 2, 6).
5. Ageev M.D. Autonomous underwater vehicles of the Institute of Marine Technology
Problems//PACON'91 congress. Tokyo, 1991.
6. Ageev M.D. Modular autonomous unmanned vehicles of the IMTP // MTS J. 1996.
Vol. 30, N l.P. 13-20.
7. Ageev M.D., Kiseljov L.V., Scherbatyuk A.Ph. Integrated positioning system for
AUV // Underwater Intern, conf. Vancouver, 1989.
8. Ageev M.D., Kiseljov L. V„ Scherbatyuk A.Ph. Tasks for the autonomous underwater
robot//URIC'91 proceedings. Pisa, 1991.
9. Ageev M.D. An analysis of long-range AUV, powered by solar energy П Proc, of
conf. "Ocean'95". San Diego, 1995.
10. Ageev M.D., Blidberg D.R., Jalbert J. Solar AUV-sampling system for the 21st
century // Proc, of Pacific Rim'97. Singapour, 1997.
11. Ageev M.D. The use of the AUV for deepwater search operations // Subnotes. 1997.
Sept./Oct. P. 17-20.
12. Woo J. (Korea), Ageev M.D. (Russia). Development and preliminary sea trial of the
OKPO-6000 AUV. 1997. (OMS-97-EX-03).
13. Никифоров В.В. Автономный робот - разведчик глубоководных полезных
ископаемых// Вести. ДВО АН СССР. 1990. №4 (37). С. 56-61.
14. Илларионов ГЮ., Карпачев А.А. Исследовательское проектирование
необитаемых подводных аппаратов. Владивосток: Дальнаука, 1998. С. 7-39.
15. The AUVs are coming// Intern. Ocean Systems Design. 1997. Nov ./Oct. P. 17-20.
16. Johnson H.A., Verderesse A. J., Hansen A. "Smart" multi-mission unmanned free
swimming submersible//Naval Eng. J. 1976. Vol. 88, N 2. P. 164.
17. Galerne E. Epaulard: ROV used in NOAA // Polymetallic Sulfide Res Sea Technol.
1983. Vol. 24, N 1 l.P. 40.
18. Walton J., Cooke M„ Ullrich R. Advanced unmanned search system // Proc, of
Underwater Intervention '93. New Orleans (L.), 1993.
19. Uhrich R„ Walton J. Supervisory control of untethered undersee systems: A new
paradigm verified // Proc, of the 9th Intern, symp. on unmanned untethered
submersible technology. 1995.
20. Advanced unmanned search system: Technical document I NOSC 1992
21. Butler B. Field trials of the THESEUS AUV // Proc, of the 9th Intern, symp. on
unmanned untethered submersible technology. 1995.
384
22. Bittier В , Hertoc V.d. Theseus: A cable-laying AUV // Proc of the 8ih Im
on unmanned untethered submersible technology 1993 h 8lh ,nlern' ’^P-
23' Г995" April'.' P°Pe A’ TheSeUSL MulliPur₽ose Canadian AUV II Sea Technol. Mag.
24' AUV°MARIUs''“'re C" °Uunra P’ et aL UnderSea robolics rescarch at 1ST- The
Lisboa 1995 PrOgramme " C°nference: Undersea robotics and intelligent control.
25. Oliveira P„ Pascoal A Silva V., Silvestre C. Design, development and testing of a
mission control system for the MARIUS AUV // Proc, of the 6th Intern undeilater
robotics program (I ARP’96) workshop Toulon 1996 aerwater
26- ODYSSEY ArtW°odD:K- el aL characterist.es of the
ODVSSEY AUV // Proc, of the 8th Intern, symp. on unmanned untethered
submersible yechnology. Durham (N.H.), 1993.
27' "° Y' Real'lime vision-based tracking of submarine-cables for
AUV/ROV // Proc, of conf. "Oceans'95". San Diego, 1995.
28. Kojima J., Kato Y., Asakawa K. et al. Development of autonomous underwater
vehicle "Aqua Explorer 2" for inspection of underwater cables // IEEE J. 1997. N 2.
29. Kato N„ Ito Y„ Kojima J. Control performance of AUV AEI000 for inspection of
underwater cables//Ibid, 1994. P. 1-135.
30. Bergen O. A multybeam sonar based positioning system for an AUV // Proc, of the
8th Intern, symp. on unmanned untethered submersible technology. Durham (N H )
1993. P. 291.
31. Obara T., Yamornoto K. Development of an AUV R1 with a closed cycle diesel
engeen // Proc, of the 5th 1OPEC. 1994. P. 351.
32. Ura T. et al. Underwater pattern observation for positioning and communication of
AUVs // Proc, of the 9th Intern, symp. on unmanned untethered submersible
technology. 1995.
33. Kraider D.R. UUVs for underwater worn-innovation or high tech toy? // Sea
Technology. 1997. Vol. 38. N 2. P. 51.
34. Stokey R., Austin T, Alt C. von et al. WH01. AUV bloopers or why muphy must
have been an optimist: A practical look at achieving mission level reliability in an
autonomous underwater vehicle // // Proc, of the 11th Intern, symp. on unmanned
untethered submersible technology, 1999.
35. Griffiths G„ Millard N.W., McPhail S.D. et al. Towards environmental monitoring
with the AUTOSUB autonomous underwater vehicle // IEEE J. 1998. N 9. P. 121-
36. Bellingham J.G. New oceanographic uses of autonomous underwater vehicle // MTS
J. 1998. Vol. 31, N3. P. 34—41.
37. U.S. NAVY'S UUV programmes: special rep. // UN&T. 1993. Sept. I Oct. P. j8-44.
38. McCartney D.S., Collar P.G. Autonomous submerges - instrument platforms ot
the future//Underwater Technology. 1990. Vol. I5.N4.P. 19—2^. .... .
39. Robotic and artificial intelligence fystem for naval operational environment // Nav
Eng. 1987, N 4. P. 74-86. „ ,,v
40. Bunce J. A. Balch Boulevard. Results of the naval oceanographic Offices 1J9
workshop.
41. Intern. Ocean Systems. 2001. Jan. / Febr. utiGIN 3000 survev
42. Wesigard K.. Hansen R„ Jalving B„ Pedersen OA The HUGIN 3000 survey
AUV - design and field results // Proc, of Oceans -001 . •Hu»in" UUV //
43. Westgard K. Storkersen N„ Sortland J. Sea bed surveying w Лн
Proc, of the 11th Intern, symp. on unmanned untethered su
1999.
’5 Автономные
385
44, Mierlo F.van, Key B. Bluefin 5000 - a new hydrographic surway capability II Hydro
Intern. 2000. September. P, 42-45.
45 Woo J.. Ageev M.D. Development and prcltmanary sea trial ol the ОКРО-бООО
AUV. 1997. (OMS-97-EX-03).
46 Верхопятницкий П.Д.. Латинский В.С. Справочник по модульному
конструированию радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Судостроение, 1983.
282 с.
47. Малютин Н.И. Унификация в судостроении. Л.: Судостроение, 1985.
|44 с.
48. Ястребов В.С., Смирнов А. В., Челышев В.А. Принципы построения по-
гружных систем подводных аппаратов. М.: Наука, 1979. 128 с.
49. Агеев М.Д.. Молоков Ю.Г., Рылов Н.И. Модульный принцип конст-
руирования подводных технических средств И Подводные роботы н их
системы. Владивосток, 1987. С. 10-17.
50. Л геев М.Д., Рылов Н.И., Кожемяков В.Б. и др. Унифицированные
конструктивные элементы подводных технических средств // Там же.
С. 18-57.
51. Илларионов Г.Ю., Карпачев А.А. Исследовательское проектирование
необитаемых подводных аппаратов. Владивосток: Дальнаука, 1998. 270 с.
52. Агеев М.Д. Упрощенная методика расчета движителей для необитаемых
подводных аппаратов И Подводные роботы и их системы. Владивосток,
1995. С. 33-49.
53. Kojima J. et al. Development of autonomous underwater vehicle "AE2" for
inspection of underwater cables // IEEE J. 1997. N 2.
54. Baker J.H.A. Alternative approaches to pipeline survey // Subtech. 1991. Vol. 27.
P. 333-345.
55. Murray B.G. Pipeline freespan monitoring // Ibid. P. 347-354.
56. Реклама датчика метана H Sea Technol., 2002. May. P. 64.
57. Boulinguez D., Qufnquis A. A new way of identifying buried objects // IEEE Ocean.
Eng. Sosc. Newslett. 1999. Fall/Winter.
58. Разведка и охрана недр. М.: Недра. 2001.
59. Дулепов В.И, Лелюх Н.Н., Лескова О.А. Анализ и моделирование процес-
сов функционирования экосистем залива Петра Великого. Владивосток:
Дальнаука, 2002. 248 с.
60. Griffiths G„ Millard N„ McPhail S.D. et al. Standard and special: Sensors used
during the autosub science missions programme.
61. Corfield S. Unmanned surface vehicle collects ocean data // Intern Ocean Systems.
2001.Sept.-Oct. P. 8-9.
62. Lebart K., Petillot Y., Smith C. et al Video sensors play major role in subsea
scientific missions // Sea technol. 2002. February. P. 10-14.
63. Dickey T.D. For observing world's oceans emerging sensors systems // Ibid. 2001.
December. P. 10-14.
G’ AUV masterclass’- survey vessel replaced by AUV? // Hydro Intern.
2001. Nov.-Dec. P. 44-45.
65. Ewen R.Mc., Thomas H„ Weber D., Psota F. Performance of an AUV navigation
system of arctic latitudes II Oceans-2003. P. 642-653.
66. Hornfeld W Baunsgaard J.P. C-systems-concept for a modular AUV family H
о C' ° , e, “ Inlem- symp. on unmanned untethered submersible technology.
7' VoKE N ^2^-29 aV'8atiOn ‘S кеУ ‘° AUV missions " Sea Techno1- 200 ’•
386
К главе 2
1. Автономные необитаемые подводные аппараты / Под общ пел МП А
C1KI. Владивосток: Дальнаука 2000 д ощ’ ред- М-Д. Аге“
1 н.уф“гглм-Ст -“р—
4. Ваулин Ю.В., Щербатюк А.Ф. Система отслеживания Протяженных объек-
Мппг™ °СН0Ве телевпизионной информации для подводного робота И
Морские технологии. Владивосток: Дальнаука, 2000 Вып 3 С 80-91
5' 3ерН°лыплВ" ЛЬв°в ° Ю- Хмелькоа Д Б- Бортовая информационная
сеть АННА на основе канала обмена RS-485 //Там же. 2001. Вып. 4. С. 44-
6. Молоков Ю.Г., Зозулинский А.М. Сетевая архитектура бортовых систем
АПР И Подводные роботы и их системы. Владивосток- ДВНЦ АН СССР
1987. С. 81-110.
7. Albus J.S., Proctor F.G. A reference model architecture for intelligent hybrid control
systems // IFAC’96. San Francisco, 1996.
8. Perrett J.R., Pebody M. AUTOSUB-1 - implications of using distributed system
architectures in AUV development // IEEE conf. publ. I Inst, of Electrical Engineers
1997.
9. Brooks R.A. A robust layered control system for a mobile robot // IEEE Trans.
Robotics and Automation. 1986. Vol. 2, N 1. P. 14-23.
10. Bymes R„ Kwak S., McGhee R. et al. Rational behaviour model: an implemented tri-
level multilingual software architecture for control of autonomous vehicles // Proc,
of the 8th Intern, symp. on unmanned untethered dubmersible technology. Durham
(N.H.), 1992. P. 160-179.
11. Berry G„ Gonthier G. The synchronous programming language ESTEREL: Design,
demantics, implementation // Sci. comput. programming. 1992. Vol. 19, N 2. P. 87-
152.
12. Patterson MR. A finite state machine approach to layered command and control of
autonomous underwater vehicles implemented in G, A graphical programming
language // Proc, of ocean community conf.’98. Baltimore, 1998.
13. Coste-Maniere E„ Wang H.H., Peuch A. Control architectures: Whai's going on? //
Workshop proc, (preliminary version) conf. "Undersea robotics and intelligent
control’’. Lisboa, 1995. f
14. Oliveira P.. Pascoal A.. Silva V.. Silvestre C. Design, development and tesung of a
mission controlsystem for the MARIUS AUV // Proc, of the 6th Intern, underwater
tobotics program (IARP'96) workshop. Toulon. 1996.
15. Bellingham J.G., Bales J.W.. Atwood D.K. et al. Performance charactensucs о. the
ODYSSEY AUV // Proc, of the 8th Intern, symp. on unmanned untet
submersible Technology. Durham (N.H.), 1993. _
16. Espiau B„ Simon D., Kapellos K. Formal vent.catton of mission'
Workshop proc, (preliminary version) cont. "Undersea robotics and intelligent
17. Smh/°S.M: Ganeia,9,Flanigan T, MarqmsL. The intelligent
system architecture in the Ocean Voyager 11 and Ocean Explorer veh.ctoM'
the 9th Intern, symp. on unmanned untethered submersible technot oy,.
18 VestgardK, Hansen R. The HUGIN 3000 survey AUV - des.gn and held results //
Proceedings of the underwater intervention. 2001.
387
19 Koiima J Asai T. Shirasaki E, Asakawa K. Development of new AUV "Aqua
Explorer 2000” and its cable tracking sensor // Proc, of the Intern. symp, on
unmanned untethered submersible technology. 2001.
">0 Allen B. Stokey ft., Austin T. et al. REMUS: A small, low cost AL V, System
description, field trials and performance results // Proc, ol the Oceans 97
MTSJEEE. Halifax (Nova Scotia), 1997.
21. Ura T, Obara T. Sea trials of AUV "R-One Robot" equipped with a closed cycle
diesel engine system // Ibid.
К главе 3
1. Бородин В.И., Смирнов ЕЕ., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакусти-
ческие навигационные средства. Л.: Судостроение, 1983. 262 с.
2. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судострое-
ние, 1989. 316 с.
3. Агеев МЛ, Касаткин Б.А., Киселев Л.В. it др. Автоматические подводные
аппараты. Л.: Судостроение, 1981.248 с.
4. Lurton Х„ Millard N. W. The feasibility of a vary-long baseline acoustic positioning
system for AUV // Proc, of Ocean-94. Brest, 1994. Vol. 3. P. 403—108.
5. Парамонов А.А., Афанасьев B.H. Гидроакустическая навигационная
система ГАНС-М И Материалы VI Междуиар. науч.-техн. коиф.
"Современные методы и средства океанологических исследований”. М.,
2000. С. 100-112.
6. Thomson D., Elson S. New generation acoustic positioning systems // Proc, of
Ocean-2002. P. 1312-1318.
7. Касаткин Б.А., Косарев ЕВ. Физические основы акустической дальио-
метрии И Вестник ДВО РАН. 1998. № 3. С. 41-50.
8. Austin Т.С., Stokey ft. Relative acoustic tracking // Sea Technol. 1998. March.
P. 21-27.
9. Watson M„ Loggins C„ Ochi Y.T. A new high accuracy super short base line (SSBL)
system// Underwater Technol. 1998. P. 210-215.
10. Deveau J.E. Underwater acoustic positioning systems // Proc, of Ocean-95. Vol. 1.
P. 167-174.
11. Proakis J.G. Digital communications. Beijing: Publ. House of Electronics Industry.
2000. 928 p.
12. Захаров JO. В., Коданев В.П. Помехоустойчивость адаптивного приема
сложных акустических сигналов при наличии отражений от границ океана И
Акуст. журн. 1996. Т. 42. № 2. С. 212-219.
13. Волков А.В., Курьянов Б.Ф., Пенкин М.М. Цифровая гидроакустическая
связь для океанологических применений И Тр. VII Междуиар. коиф. по
океанологии. М„ 2001. С. 182-189.
14. Romeo J„ Lester G. Navigation is key to AUV missions // Sea Technol. 2001.
December. P. 24-29.
15. Susaki H. A fast algorithm for high - accuracy frequency measurement: Application
to ultrasonic Doppler sonar // IEEE J. Ocean. Eng. 2002. Vol. 27. N 1. P. 5-12.
16. Jorgenson K.V., Grose B.L., Crandal F.A. Doppler sonar applied to precision
undewater navigation // Proc, of Ocean-93. Vol. 2. P. 469—174.
17. Vestgard K„ Hansen R„ Jalving B„ Pedersen H. The HUGIN 3000 survey AUV -
design and field Results // Underwater intervention. 2001.
18. Kasatkin B.A., Kosarev G. V. Feature of development of the APS for very long range
AUV //Proc, of Ocean-95. Vol. l.P. 175-177.
388
Владивосток: Дальнаука, 1998. Вып. 2. С 65^9 Морские технологии.
20. Касаткин Б.А, Гидроакустическая
мая система. Пат. 2084924 РФ, G01S 15/08₽ 1995 ДаЛЬН0мериая иавигациои-
21. Касаткин Б.А., Кулинченко С.И Матвиенко пни
Исследование характеристик фазового пеленгатора для УКБ-ГАНО/
Подводные роботы и их системы. Владивосток Дальняя 1995
22. Касаткин Б.А. Оценка погрешности УКБ-пеленгатора с круговой базой И
Морские технологии. Владивосток: Дальнаука, 1996 Вып 1 С 69 73
23. Касаткин Б. А., Матвиенко Ю.В. Способ определения пеленга на источник
излучения и устройство для его осуществления. Пат. 2158430 РФ// Бюл
изобрет. 2000. № 33.
24. Матвиенко Ю.В. Статистическая обработка информации гидроакусти-
ческой навигационной системы с ультракороткой базой // Морские
технологии. Владивосток: Дальнаука, 1998. Вып. 2. С. 70-80.
25. Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н., Кулинченко С.И. ндр. Гидроакустическая
навигационная система с ультракороткой базой И Там же. 2000 Вып 3
С. 102-113.
26. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной
информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981,416 с.
27. Рылов Н.И. Об определении навигационных параметров в УКБ ГАНС по
данным многоэлементной антенны // Морские технологии. Владивосток:
Дальнаука, 2003. Вып. 5. С. 46-55.
28. Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н., Кулинченко С.И. и др. Пеленгатор гидро-
акустической навигационной системы с ультракороткой базой. Пат.
2179730 РФ //Бюл. изобрет. 2002. № 5.
29. Матвиенко Ю.В. Обработка данных в УКБ-пеленгаторе, основанном на
несовершенной многоэлементной антенне // Материалы VIII Междунар.
науч.-техн. конф. "Современные методы и средства океанологических ис-
следований". М.: 2003. Ч. 1. С. 24-25.
30. Агеев М.Д., Ваулин Ю.В., Киселев Л.В. и др. Системы подводной навигации
для АНПА//Тамже. Ч. 2. С. 13-22.
31. Матвиенко Ю.В., Нургалиев Р.Ф., Рылов НИ. Гидроакустическая система
слежения за местоположением автономного подводного аппарата (АНПА)
// Труды 9-й школы-семинара академика Л.М. Бреховских. М.: 2002. С. 347-
350.
32. Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н, Кулинченко С.И. О выборе структуры и
характеристик аппаратуры гидроакустического канала связи подводного
аппарата // Морские технологии. Владивосток: Дальнаука, 1996. Вып. 1.
С. 84-94.
33. Матвиенко Ю.В. Оценка основных параметров гидроакустической систе-
communication in shallow sea for AUV // Sh.pbutHmj; and ocean engtneenng.
problems and perspectives. Vladivostok, 2001. P. комплекс для
35 Золотарев В. В., Касаткин Б.А. и др. Гидроакустический комплекс дам
' глубоководного автономного необитаемого подводного аппарата И Труды
X сессии РАО. М., 2000. С. 59-62.
389
36 Матвиенко Ю.В.. Кулинченко С.И.. Кузьмин А.В. Квпзнко. сречпное „а-
копление коротких импульсных сигналов для увеличения быстродействия
доплеровского лага // Морские технологии. Владивосток: Дальнаука, 1998.
37 МитвиеикоЮ.а.. Макаров В.Н., Кулинченко СИ.. Кузьмин А В. Прием-
иый тракт импульсного высокоточного доплеровского лага. Пат 2120131
РФ. 1998.
К главе 4
1. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтюгов, А.Е. Колесников, Е.А. Ко-
реппн и др. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Судостроение, 1988. 552 с.
2. Золотарев В.В.. Орлов М.Л., Федотов Д.Б. Гидролокационная съемка
мелководных акваторий дальневосточных портов И Разведка и охрана недр.
2002. № 1. С. 22-23.
3. Muir T.G.. Horton C.W., Thomson L.A. The penetration ot highly direc-
tional acoustic beams into sediments //J. Sound Vibrat. 1979. Vol. 64, N 4. P. 539-
551.
4. Chotiros N.P. High frequency acoustic bottom penetration: Theory and experiment
// Proc, of Ocean-89. Vol. 3. P. 1158-1162.
5 Chotiros N.P., Mautner F.M., Lovir A. et al. Acoustic penetration of a silty sand
sediment in the 1-10 kHz band // IEEE J. Ocean. Eng. 1997. Vol. 22, N 4. P. 604-
615.
6. Padilla F„ de Billy M„ Quentin G. Theoretical and experimental studies of surface
waves on solid-fluid interfaces when the value of the fluid sound velocity is located
between the shear and the longitudinal ones tn the solid // J. Acoust. Soc. Amer.
1999. Vol. 106, N 2. P. 666-673.
7. Касаткин Б.А, Аномальные эффекты прн прохождении звуковых волн
через границу раздела вода-морской песок И Сборник трудов VII школы-
семинара академика Л.М. Бреховскнх. М.: ГЕОС, 1998. С. 112-116.
8. Агеев М.Д., Золотарев В.В., Касаткин Б.А. Аномальные характеристики
обратного рассеяния звука морским дном прн малых углах скольжения И
Сборник трудов школы-семинара академика Л.М. Бреховскнх. М.: ГЕОС,
2002.
9. Касаткин Б.А. Аномальные явления при распространении звуковых волн
вблизи морского диа И Акуст. журн. 2002. Т. 48, № 3. С. 437-446.
10. Гордиенко В.И., Убогий В.П., Ярошевский Е.В. Электромагнитное
обнаружение инженерных коммуникаций и локальных аномалий. Киев:
Наук, думка, 1981.
]1. Зимин Е.Ф., Коганов Е.С. Измерение параметров электрических и маг-
нитных полей в проводящих средах. М.: Энергоатомиздат, 1985.
12. Шауб Ю.Б. Электрометрия для морских геофизических исследований.
Владивосток: Дальнаука, 1994.
13. Wynn W.M., Bono J.T. Sensor for locating objects in the sea having a conductive
shell to inject electric current into the sea and a sensor coil in the shell Pat 5430380
USA. 1995.
14. Хмелевский B.K. Основной курс электроразведки. M.: Изд-во МГУ, 1970.
15. Агеев М.Д., ВитковскаяЛ.Г, Кукарских А.К., Мокеев В.Ю. Устройство для
обнаружения и отслеживания электропроводного протяженного подвод-
ного объекта с борта подводной поисковой установки (варианты). Пат.
2174244 РФ И Бюл. нзобрет. 2001. № 27.
390
технологии. Владивосток: Дальнаука 1998 Вып 4°°Рта АНПА " Морские
1' бно“т“ани; ЭЛ‘-Р°"Р°~
Пат. 2136020 РФ И Бюл. изобрел. 1999 № 24 пои«овой установки.
18. Лессе М.Д., Кукарских А.К. Способ обнаружения и отслеживания
электропроводного протяженного подводного объекта с борта аэтоиомиого
необитаемого подводного аппарата. Пат. 2211464 РФ // Бюл. изобрел. 2003.
К главе 5
I. Агеев М.Д Касаткин Б.А., Киселев Л.В. и др. Автоматические подводные
аппараты. Л.: Судостроение, 1981. 223 с.
2. Подводные роботы / Под ред. В.С. Ястребова. Л.: Судостроение, 1977. 363 с.
3. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения
подводных аппаратов. Л.: Судостроение, 1973. 209 с.
4. Грейнер Л. Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов. Л.: Судо-
строение, 1978.
5. Щербатюк А.Ф., Ваулин Ю.В. Корреляционно-экстремальная навигацион-
ная система для АПР // Подводные роботы и их системы. Владивосток,
1992. С. 51.
6. Ageev M.D., Kiseljev L.V., Scherbatyuk A.Ph. Integrated positioning system for
AUV // Proc, of the Underwater Intern. Conf. Vancouver, 1989.
7. Ageev M.D., Kiseljev L. V., Scherbatyuk A.Ph. Tasks for the autonomous underwater
robot // Proc, of the URIC'92. Pisa, 1992.
8. Охоцимский Д.Е., Платонов A.K., Пряничников B E. Методика модели-
рования робота, перемещающегося в пространственной среде// Изв. АН
СССР. Техн, кибернетика. 1980. № 1.
9. Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф. Механика и управление движением
автоматического шагающего аппарата. М.: Наука, 1984.
10. Инзарцев А.В. Об одном алгоритме управления движением АПР вблизи дна
с неизвестным рельефом И Подводные роботы н их системы. Владивосток,
1987. С.156.
11. Ястребов В.С., Армшиев С.В. Алгоритмы адаптивного движения подводно-
го робота. М.: Наука, 1988. С.85.
12. Волохин Ю.Г., Мельников М.Е., Школьник Э.Л. н др. Гайоты Западной
Пацнфнки н их рудоносиость. М.: Наука, 1995. 368 с.
13. Сагалевич А.М. Океанология и подводные обитаемые аппараты. М.: Наука,
1987.256 с. , ,
14. Смирнов А. В., Армишев С. В. Исследования подводными роботами риф-
товых н горных образований И Технические средства изучения i ярового
океана / Ин-т океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР. 198э. •
15. Smoot N.Ch. The Marcus-Wake seamounts and guyots as Paleofarcture indtcaron.
and their telation to the Dutton Ridge // Mar. Geol. 1989. Vol. 88. P• Ц7-131.
16. Барбашин E.A. Введение в теорию устойчивости. М.: Наука 196Л
17. Goheen K.R.. Jefferys E.R. Muhivariable selt-turung autop.lot for autonomotb
remotely operated underwater vehicles // IEEE J. Ocean Eng. . • ’
18. Cristi R . Popoulies F„ Healey A. Sliding mode control of autonomous underwater
vehicles in the dive plane // Ibid.
391
19. Cristi R„ Popoulias F.A., Healey A. J. Adaptive sliding mode control of AUV in lire
dive plane // Ibid. P. 152.
->q Xi M.. Smith S.M. A fuzzy sliding controller lor AUV s // Pioc. ol the )th Intern,
symp. on unntannad untethcrcd submersible technology. 1995.
t I Hilton E F. Controller design and selection for an Odissey-class AUV // Ibid.
22. Bennett A.. Leonard J.. Bellingham J. Bottom following for survey-class AUV //
Ibid. P. 327. . .
23. White R. Smith S. Fuzzy Behavioral Controllers using criteria based decision
making for bottom following missions in AUV s // Ibid. P. 337.
24. Haralick R.M. Digital step edge from zero crossing of second directional
derivatives // IEEE Trans. PAMI. 1984. Vol. 6, N I. P. 58-68.
25. Davies E.R. Machine vision: Theory, algorithms, practicalities. L.: Acad, press.
1990.
26. Киселев Л.В., Юдаков А.А. Динамика подводного робота при траекторном
обследовании объектов И Подводные роботы и их системы. Владивосток,
1992. С. 28-50.
27. Львов О.Ю. Система стабилизации движения автономного подводного
робота в вертикальной плоскости // Подводные роботы и их системы.
Владивосток, 1988. С. 85-90.
28. Львов О.Ю., Никифоров В.В. Эхолокациоиная система для управления
подводным аппаратом //Там Же. С. 91-99.
29. Агеев М.Д., Киселев Л.В., Кобаидзе В.В. и др. Информационно-управляю-
щий комплекс АПР И Подводные роботы и пх системы. Владивосток, 1987.
С. 58-80.
30. Ющенко А.С., Киселев Д.В. Ситуационное управление мобильным роботом
на основе нечеткой логики//Мехатроннка. 2000, № 5. С.10-15.
31. Ющенко А.С., Киселев Д.В.. Вечканов В.В. Адаптивная система нечет-
кого управления движением мобильного робота // Там же. 2002, № I.
С. 20-26.
32. Bennett A.A., Leonard J.J. A behavior-based approach to adaptive feature detection
and folloving with autonomous underwater vehicles // IEEE J. Ocean. Eng. 2000.
Vol. 25, N 2. P. 213-226.
33. Vasudevan C., Smith S.M., Ganesan K. Collision avoidance by dynamic path
selection and fuzzy behavior control // Proc, the 9th Intern, syhnp. on unmanned
unlelhered submersible technology. 1995. P. 262-271.
34. Langenbach R.M., Rae G.J.S. Fuzzy logic docking control for autonomous
underwater vehicle // Ibid. P. 253-261.
К главе 6
1. Dickey T.D. The emergence of concurrent high resolution physical and bio-optical
measurements in the upper ocean and their applications // Rev. Geophys. 1991.
Vol. 29, N 3.
2. Fox PJ. The global abiss: The need for an integrated program // MTS J. 1994—
l995.Vol. 28, N4.
3. McCartney B.S., Collar P.G. Autonomous submersibles - instrument platforms of
the future//UnderwaterTechnol. 1990. Vol. 15, N4.
4. Griffiths G. Ocean science applications for autonomous underwater vehicles — the
wor pan for Autosub-I for 1997-2000 and beyond // Unmanned underwater
vehicle showcase. Southhampton (U.K.), 1997.
5. Автономные необитаемые подводные аппараты / Под общ. ред. М.Д. Аге-
ева. Владивосток: Дальнаука, 2000. 272 с.
392
6. Ageev M.D. An analysis of long-range AUV nowerrd hvc i «
Conf. San Diego: IEEE, 1995. ' P°Wered ЬУ soIar energy//Oceans’95
7. Агеев М.Д Управление распределением энергии при работе АНПА г
8. Jalbert J.C.. Irazoqm-Pastor Р„ Miles S. et al. AUV technology evaluation and
Л t °f lhe Wlh 'nlern- S^P- °" unmanned untethered
submersible technology. Durham (N.H.) 1997 P 75-87
9. Агеев М.Д. Горнак B.E.. Хмельков ДБ. О разработке экспериментального
?ооя еЛ'?Г0 авто,,омного подводного аппарата И Вести. ДВО РАН
I У У О, J№ j. С. 3—1 |.
10. Blidberg DR., Jalbert J.C., Ageev M.D. Experimental results; The AUSI/IMTP
S\9S^ P°Wered AUV project II Proc, of the Ocean community conf.'98. Baltimore,
11. Ageev M.D., Jalbert J.C., Blidberg D.R. Description and analysis of a solar
autonomous underwater vehicle //MTS J. 1998-1999.Vol. 32, N 4.
12. Ageev M.D., Blidberg D.R., Jalbert J. et al. Results of the evaluation and testing of
the solar powered AUV and its Subsystems // Proc, of the 11th Intern, symp. on
unmanned untethered submersible technology. Durham (N.H.), 1999.
13. Атлас океанов. Тихий океан / Гл. упр. навигации и океанографии М-ва
обороны СССР. М., 1974.
14. Egles D. Ranger 1: A self-propelled data buoy//Oceans'85 conf, record. San Diego,
1985.
15. Stommel H. The Slocum Mission // Oceanography. 1989. April.
16. Curtin T., Bellingham J., Catipovic J., Webb D. Autonomous oceanographic
sampling networks // Ibid. 1993. Vol. 6, N 3.
17. Hitchcock G.L. et. al. A GPS tracked surface drifter with cellular telemetry-
capabilities // MTS J. 1996.Vol. 30, N 2.
18. Ananthakrishnan P„ Martel L.J. Simulation of AUV motion in shallow water//
Proc, of Ocean community conf.'98. Baltimore, 1998.
19. Gamache K.A., Fogel P.E. Oceanographic DATALINK // Sea Technol. 2000. May.
20. Kojima J. et al. Development of autonomous underwater vehicle "AE2 for
inspection of underwater cables//IEEE J. 1997.N2.
21. Baker J.H.A. Alternative approaches to pipeline survey//Subtech. 1991. Vol. 27.
P. 333-345.
22. Murray B.G. Pipeline freespan monitoring // Ibid. P. 347-354.
23. Реклама датчика метана H Sea Technol. 2002. May. P. 64
24. Boulinguez D„ Quinquis A. A New Way of identifying buned objects // IEEE
Ocean. Eng. Soc. Newslett. 1999. Fall/Winter.
25. Разведка и охрана недр. М.: Недра. 2001. П1тЛВоипА
26. Дулепов В.И., Лелюх Н.Н.. Лескова О.А. Анализ и моделирование
процессов функционирования экосистем залива Петра Великого. Влад
восток: Дальнаука, 2002. 248 с. .
27. Griffiths G.. Millard N. et al. Standard and special: Sensors used dunng the Autos
science missions programme. _ Svsiem
28. Coifield S. Unmanned surface vehicle collects ocean data // Intern. Ocean System. 29
29 LrtaH T'.P^tiUot^et al. Video sensors play major role in subsea scientific
missions//Sea Technol. 2002. February. P. 10-14.
30. Dickey T.D. For observing world's oceans emerging sensors, sys
December. P. 10-14.
393
К глаас 7
1. Агеев МЛ., Касаткин Б.А., Киселев Л.В. п др. Автоматические поцподные
аппараты. Л.: Судостроение, 1981. 223 с.
2. Автономные необитаемые подводные аппараты / Под общ. ред. М.Д Аге-
ева Владивосток: Дальнаука, 2000. 272 с.
$ Агеев М.Д., Молоков Ю.Г., Рылов Н.П. Модульный принцип
конструирования подводных технических средств И Подводные роботы п нх
системы. Владивосток, 1987. С. 10-17.
4 Агеев М.Д, Рылов НИ., Кожемяков ВБ. и др. Унифицированные кон-
структивные элементы подводных технических средств И Там же. С. 18—57
5. Hansen R.J., Hoyt J.G. Laminar-to-turbular transition on body of revolution with an
extended favorable pressure gradient forebody// ASME J. Fluids Meeh.
1984.Vol. 106, N 2. P. 170-179.
6. Грейнер Л. Гидродинамика u энергетика подводных аппаратов. Л.: Судо-
строение, 1978.
7. Lee A., James B.D.. Kuhn I.F.Jr., Baum G.N. Power sources for unmanned
vehicles//Sea Technol. 1989. Vol. 30, N 10.
8. Никифоров В.В. Автономный робот - разведчик глубоководных полезных
ископаемых И Вести. ДВО АН СССР. 1990. № 4 (37). С. 56-61.
9. Агеев М.Д., Горнак В.Е. Шербатюк А.Ф. и др. Модернизированный TSL -
подводный аппарат для работы на шельфе и в тоннелях И Морские
технологии. Владивосток: Дальнаука, 2000. Вып. 3. С. 23-39.
10. Щербатюк А.Ф., Ваулин Ю.В., Якубова Л.Е., Явное С.В. Использование
подводного аппарата TSL для поиска скоплений, оценки видового состава н
численности донных гидробионтов на шельфе // Там же. 2003. Вып. 5.
С. 32-45.
11. Красовский В.П., Евтушенко В.В., Гусарова И.С. Опыт гидробиологи-
ческих исследований с использованием телеуправляемого и автономного
подводных аппаратов//Там же. 1998. Вып. 2. С. 219-228.
12. Kasatkin В.А., Kosarev G.V., Larionov Yu.G. Inspection of the Amur Bay bottom by
the acoustic profiler of a high resolution // Materials of Intern, conf, on shipbuilding
and ocean engineering, problems and perspectives (SOPP'01). Vladivostok, 2001.
P. 394—400.
13. Касаткин Б.А., Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Исследование дна Амурского
залива акустическим профилографом высокого разрешения // Сборник
трудов. XI сессии Российского акустического общества М • ГЕО С 2001
Т. 2. С. 18-22. ' '
14. Касаткин Б.А., Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Опыт использования акусти-
ческого профилографа для мониторинга акватории Амурского залива //
Разведка и охрана недр. 2001. № 1. С. 20-22.
15. Касаткин Б.А., Косарев Г В., Ларионов Ю.Г. Использование акустического
профилографа для мониторинга дна Амурского залива // Морские
технологии. Владивосток: Дальнаука, 2001. Вып. 4. С. 65-70.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Впсдспие ...
Глава 1
Особенности создания АНПА:
проблемы и технологии
1.1. Состояние и перспективы развития подводной робототехники
1.2. Зарубежные АНПА (AUV) ....
1.3. Опыт создания и использования глубоководных' аппаратов'н их
систем в ИПМТ ДВО РАН: от первых макетов до глубоководных
комплексов ...........................
1.4. Модульная технология создания АНПА
8
12
30
44
Глава 2
Архитектура системы управления
и программная среда
2.1. Задачи системы управления в структуре АНПА ............. 56
2.2. Аппаратные конфигурации вычислительных сетей АНПА...... 61
2.3. Программные архитектуры систем управления АНПА.......... 7]
2.4. Формирование заданий для АНПА .......................... 78
2.5. Верификация составленной программы-задания.............. 84
2.6. Пример выполнения реальной миссии АНПА.................. 88
Глава 3
Гидроакустические средства навигации и связи
3.1. Состав и назначение гидроакустического комплекса ............. 95
3.2. Физические основы дальномерной гидроакустической навигации.. 105
3.3. Принципы построения угломерных гидроакустических навигацион-
ных средств ......................................................
3.4. Методология оценки точности гидроакустических УКБ-систем .... 142
3.5. Особенности гидроакустического навигационного комплекса ИПМТ
ДВО РАН ........................................................... 157
3,6. Комплексные испытания средств навигации и опыт их практического
применения при проведении реальных поисковых работ................
Глава 4
Информационно-измерительные средства
и техническое зреипе
4.1. Состав и назначение.....................................
4.2. Гидролокационный обзорно-поисковый комплекс ........
4.3. Фото-телевнзиоииая система и ее использование для обследования
объектов .....................................................
395
4.4. Электромагнитная система для обнаружения п отслеживания
электропроводных протяженных объектов........................... 201
Глава 5
Управление движением АНПА
и ориентирование в пространстве
5.1. Задачи управления движением н модели динамики............... 211
5.2. Управление движением п динамические свойства АНПА при осу-
ществлении жестких и корректируемых программ и траекторий ... 220
5 3. Управление движением при обследовании областей и объектов .. 237
5.4 Организация движения н особенности навигационной коррекции прн
осуществлении длительных миссий АНПА ........................ 244
5.5. Управление движением вблизи дна ............................ 255
Глава 6
Некоторые аспекты перспективного развития АНПА
6.1. Создание автоматизированной сети океанографических измерений на
основе АНПА с солнечной энергетикой ............................ 276
6.2. Концепция ’’солнечного" АНПА (САНПА) ....................... 290
6.3. Прототип САНПА, результаты первичного эксперимента ......... 302
6.4. Особенности создания АНПА для обследования подводных трубо-
проводов ....................................................... 322
6.5. Возможности использования АНПА для экологических исследо-
ваний .......................................................... 328
Глава 7
Опыт практических разработок
и проведения морских работ
с использованием АНПА
7.1. Использование подводного аппарата "Скат" для гидрохимических
измерений на озере Байкал (1974) ............................... 336
7-2. Разработка АНПА "Скат-гео", испытания аппарата на Белом море
(1974-1978)................................................. 339
7.3. Опыт глубоководных обзорно-поисковых и обследовательских работ
с применением робототехнического комплекса "Л-2" (1982-1989) . 344
7.4. Разработка и морские испытания АНПА "Тифлоиус” (1986-1990). 350
7.5. Опыт использования АНПА МТ-88 для глубоководных геологичес-
ких исследований (1989)......................................... 353
7.6. Разработка и практическое применение автономно-привязного аппа-
рата "TSL" (1994-2002).......................................... 359
7.7. Опыт гидролокационной съемки прибрежных акваторий в условиях
предельного мелководья.......................................... 367
7.8. Опыт использования акустического профилографа для геологичес-
кого мониторинга морского дна................................... 371
Заключение ...................................................... 381
Литература ...................................................... 364
TABLE OF CONTENS
Introduction ..
Chapter 1
Features of AUV creation:
problems and technology
1.1. Condition and prospects of development of underwater robotics
1.2. Foreign AUV ..........................
1.3. Experience of creation and use of deep-water vehicles and their systems in
IMTP FEB RAS: from the first breadboard models up io deep-water
complexes ..........................................
1.4. Modular technology of AUV creation .............................
Chapter 2
Architecture of control system and software
2.1. Tasks of the control system in AUV structure ........................ 56
2.2. Hardware-controlled configurations of AUV computer networks ............ 61
2.3. Software architectures of AUV control systems .......................... 71
2.4. Job setup for AUV ...................................................... 78
2.5. Verification of the composed mission ................................... 84
2.6. Example of performance of real AUV mission ............................. 88
Chapter 3
Hydroacoustic means
of navigation and communication
3.1. Structure and assignment of hydroacoustic complex ....................
3.2. Physical bases of telemetering hydroacoustic navigation ..............
3.3. Principles of construction of goniometrical hydroacoustic navigating means
3.4. Methodology of accuracy estimation of hydroacoustic USB-systems.......
3.5. Features of hydroacoustic navigating complex of IMTP FEB RAS .......
3.6. Complex tests of navigation means and experience of iheir practical
application when carryinq out of real survey-search works ...................
95
105
125
142
157
173
Chapter 4
Information-measuring means
and technical vision
.... 174
4.1. Structure and assignment.......................................... 179
4.2. Sonar survey-search complex .....................................
397
4 3 Photo-television system and its use lor observation of extended objects ... 196
4.4. Eleeiromagnetic system for detection and obseivation ol elecliOLOnduclive
extended objects ............................................................ 201
Chapter 5
Votion control of AUV and orientation in space
5 1 Tasks of motion control and dynamic models ............................ 211
52. Morion control and AUV dynamic propenies at execunon ol ihe severs and
correcied programs and trajectories ....................................... 220
5.3. Motion control at inspection of areas and objecis ................... 237
5.4. Implementation of motion and feature of navigating correction at execurion
of longterm AUV missions .................................................... 244
5.5. Motion control near the bottom ........................................ 255
Chapter 6
Some aspects of AUV perspective development
6.1. Creation of the automated network of oceanographic measurements on the
AUV basis with solar power .............................................. 276
6.2. Concept of "solar" AUV (SAUV) ......................................... 290
6.3. Prototype SAUV, results of primary experiment ......................... 302
6.4. Features of AUV creation for underwater pipelines inspection .......... 322
6.5. Opportunity of AUV use for ecological researches....................... 328
Chapter 7
Experience of practical development
and execution of sea works using AUV
7.1. Use of the underwater vehicle "Skat" for hydrochemical measurements on
the Baikal lake (1974) ...................................................... 336
7.2. Development of AUV "Skat-Geo”, trials of the vehicle in the White sea
(1974-1978) ................................................................. 339
7.3. Experience of deep-vyater survey-search and inspection works with
application of a roboiic complex "L-2" (1982-1989) .......................... 344
7.4. Development and sea trials of AUV "Tiflonus" (1986-1990) ....LL'"""... 350
7.5. Experience of AUV "MT-88" use for deep-waier geological researches
(1989) ................................................°................... 353
7.6. The development and practical applications of the is autonomy-tethered
vehicle "TSL" (1994-2002) ................................................... 359
7.7. Experience of sonar shooting of coastal water areas in conditions of limiting
shallow water............................. 357
7.8. Experience of acoustic profilograph use for geological moniioring of sea
bottom ........................ jy 1
Conclusion ................ 381
Literature .................... 384
Научное издание
АВТОНОМНЫЕ
ПОДВОДНЫЕ
РОБОТЫ
Системы и технологии
Зав. редакцией Г.И. Чертова
Редактор Л. С. Чибисенкое
Художник Т.В. Болотина
Художественный редактор В.Ю. Яковлев
Технический редактор М.К. Зарайская
Корректоры Л.Б. Васильев, Р.В. Молоканова,
Т.И. Шеповалова
Подписано к печати 19.04.2005. Формат 60x90 1/16
Гарнитура Таймс. Печать офсетная
Усп.печл. 25,0. Усп.кр.-отг. 25,5. Уч.-изд л. 24,0
Тираж 570 экз. Тип. зак. 4046
Издательство "Наука"
117997, Москва, Профсоюзная ул., 90
E-mail: secrei@naukaran.ru
Intemer. www.naukafan.ru
Отпечатано с готовых диапозитивов
в ГУП "Типография Наука"
199034, Санкт-Петербург, 9 линия, 12
АВТОНОМНЫЕ
ПОДВОДНЫЕ
РОБОТЫ
СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
AUTONOMOUS
UNDERWATER
.ROBOTS
SYSTEMS AND TECHNOLOGY
НАУКА