Текст книги "Водолазная электроника"

2.2.2. Определение места по спутниковой навигационной системе GPS/ГЛОНАСС

В 2006г. в России была создана навигационная аппаратура определения места водолаза с использованием Глобальных спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS – «БРИЗ-КМ-СП». (ЗАО «КБ Навис», г. Москва), рис. 15.

Аппаратура размещалась на левой руке водолаза у запястья. Для определения координат места водолаз должен был поднять руку над водой и удерживать её в таком положении не менее 30 сек.

Аппаратура выдавала координаты места водолаза без дополнительной коррекции по наземным станциям согласно таблице 3. Таблица 3.

Максимальная рабочая глубина погружения аппаратуры – 40м.

Рис. 15. Навигационный прибор водолаза системы GPS/ГЛОНАСС

Относительно большая погрешность в определении места объясняется тем, что в 2006г. система ГЛОНАСС ещё только создавалась, и количество спутников было невелико. В настоящее время система создана полностью (24 ИСЗ), и величина предельной погрешности определения места не превышает 5 – 15м в зависимости от региона. А при использовании автоматического определения аппаратурой навигационных параметров в дифференциальном режиме с учетом поправок от широкозонных дифференциальных систем (SBAS), величина предельной ошибки уменьшается до 1м. и менее.

Таким образом, задача выхода водолаза в заданную точку при использовании навигационных приборов счисления НПВ-2 или УПН-1 с периодической коррекцией места по СНС ГЛОНАСС и GPS в настоящее время успешно решена.

Однако у системы коррекции места по СНС есть и недостатки. Так необходимость водолазу подвсплывать и держать руку поднятой над водой требует непрерывной работы ластами. Это утомляет и демаскирует водолаза. Руку может накрыть волной и тогда сигнал от спутника пропадёт.

Лучше, если водолаз сможет буксировать буёк с антенной в виде штыря на гибком кабеле. При движении на ПСД это легко выполнимо.

2.2.3. Ориентация водолаза и ПСД по гидроакустическим маякам

В 80-х годах прошлого века для осуществления подводной навигации применялись активные гидроакустические системы в виде одного или нескольких гидроакустических маяков – ответчиков, установленных в районе работ (система «Экватор»). Погрешность в определении места по маякам составляла 1 – 5% от дистанции. Она зависела от гидрологии, от точности установки маяков, от глубины места. Способы определения места по гидроакустическим маякам изложены в приложении 1.

2.2.3.1. В 90-х годах в ЦНИИ «Гидроприбор» (в лаборатории Надеянского В.В) начали инициативную разрабтку и в 2002г. провёли испытания малогабаритного навигационного инерциально-гидроакусти-ческого комплекса (НИГАК) «Акватрасса». В нём используется принцип комплексирования измерений параметров движения и позиционирования водолаза, полученных измерителями различной физической природы: инерциально-гироскопической и гидроакустической. Конструктивно измерители реализуются бесплатформенной навигационной системой (БИНС) на микромеханических гироскопах и акселерометрах, гидроакустическими пеленгатором-дальномером со сверхкороткой базой и маяком-ответчиком, произвольно устанавливаемым в предполагаемой рабочей зоне водолаза (цифрового магнитного компаса в комплексе не было)

Основываясь на специальных алгоритмах вычислительной обработки результатов измерений параметров движения в бортовом компьютере (на микропроцессорных платах), определяются координаты пространственной траектории движения водолаза под водой в земной системе координат с погрешностью счисления его места относительно точки погружения не более ± 1 м при дистанции до маяка-ответчика не более 500 м. Для географической привязки к месту в состав комплекса входит приёмоизмеритель спутниковой навигационной системы США «Навстар» (GPS). Спутниковой навигационной системы «ГЛОНАСС» в России тогда ещё не было.

Макет комплекса включал в себя автономный гидроакустический маяк – ответчик и навигационный планшет водолаза, в составе которого:

– заплечный измерительный блок, включающий датчики БИНС, приёмно-излучающие антенны пеленгатора—дальномера с электронным блоком и устройство сбора аналого-цифрового преобразования и передачи информации;

– нагрудный компьютерный блок с микропроцессорными платами и дисплеем;

– поясной блок аккумуляторов.

Комплект алгоритмов и программ цифровой обработки измерительной информации включает в себя:

– программы формирования массивов измерений с адаптивным режимом квантования;

– программы оценки и Калмановской фильтрации ошибок измерений и восстановления неизмеряемых параметров траектории (положения в пространстве) по рекуррентной схеме и по полной выборке;

– интерфейс, определяющий последовательность и взаимодействие отдельных этапов обработки измерений и передачи данных на дисплей водолаза.

На дисплее в графическом виде отображается траектория движения водолаза в горизонтальной и вертикальной плоскостях, место гидроакустического маяка, а также параметры движения водолаза (курс, скорость, глубина, время) в цифровом виде.

Один из возможных вариантов использования НИГАК и вид отображаемой на дисплее водолаза информации приведены на рисунке 16.

Предусмотрена возможность вывода на дисплей водолаза электронной цифровой карты района с обозначением всех навигационных препятствий и опасностей.

Все данные о параметрах движения водолаза под водой могут быть переданы на береговой пост или обеспечивающий водолазный катер по системе гидроакустической телеметрии, встроенной в навигационный планшет водолаза.

Масса навигационного планшета водолаза 5 – 10 кг в зависимости от варианта комплектации. Время непрерывной работы от внутреннего источника питания – 2 часа.

Внешний вид комплекса (макетный образец) представлен на рисунке 17.

К сожалению, эта пионерская разработка не пошла в серию из-за экономических трудностей, возникших в России в годы перестройки и последующие за ней годы экономического спада.

Рис 16. Один из вариантов использования НИГАК для поиска затонувших предметов, и вид отображаемой на дисплее водолаза информации

Рис. 17. Макетный образец навигационного комплекса «Акватрасса».

Технические характеристики комплекса приведены ниже:

– радиус действия – до 500 м;

– глубина погружения – до 60 м.

Погрешности определения:

– координат относительно точки погружения не хуже 1,5 м;

– углов ориентации – не хуже 0,5 град;

– расстояния по эхолоту – не хуже 1%.

Предусмотрено дублирование курса по магнитному компасу с погрешностью – не хуже 1 градуса.

Время непрерывной работы – 2 часа.

Масса навигационного прибора водолаза в составе снаряжения 10 – 15 кг. (габариты и масса комплекса явно великоваты).

2.2.3.2. Возможно определение положения водолаза относительно обеспечивающего катера с помощью катерной гидроакустической аппаратуры типа «Стрела-1» (разработчик ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор», главный конструктор Вощуков Л. В.). Внешний вид аппаратуры приведён на рис.18. Аппаратура предназначена для наведения водолаза на обозначенный гидроакустическим маяком затонувший предмет.

Рис. 18. Состав малогабаритного гидроакустического комплекса «Стрела-1».

Состав:

– Широкообзорный ручной водолазный пеленгатор для точного и быстрого выхода на маяк;

– Донные маяки-ответчики для обозначения места работ водолазов;

– Водолазный аварийный автономный маяк;

– Переносной пеленгатор кругового обзора, размещаемый на обеспечивающих плавсредствах;

– Универсальное переносное опускаемое устройство для крепления антенны пеленгатора.

Аппаратура имела следующие технические характеристики:

– радиус действия комплекса, м. до 1500;

– точность выхода на маяк, м. +2;

– автономность (без замены батарей), сут.

– донные маяки 30;

– водолазный маяк 10;

– ручной пеленгатор водолаза 0,5;

– глубина использования, м.

– комплекса до 100;

– донных маяков до 500;

– масса, кг.

– водолазный маяк 0,7;

– ручной пеленгатор водолаза 3,5;

– маяк-ответчик 2,5;

– пеленгатор корабельный 15;

– плавучесть в воде – нулевая

Водолаз выходит на маяк с помощью ручного пеленгатора (погрешность пеленгования +10 градусов). Корабельный пеленгатор имеет 36 секторов обзора шириной в 10⁰. Измеряет дистанцию до водолаза, запрашивая его гидроакустический маяк. Одновременно он может следить за 6-ю водолазами, работающими в разных секторах и направлять их по ЗПС.

Ошибка удержания места водолазом при коррекции его движения с катера может составлять 5 – 10м. на дистанции 100м. На дистанции 500м она увеличивается до 30 – 60м. Возможно снижение ошибки при доработке катерного пеленгатора.

2.2.3.3. В последующие годы рядом организаций были созданы более совершенные системы ориентации водолаза по гидроакустическим маякам. Так в Лаборатории подводной связи и навигации создана подводная акустическая система позиционирования RedWAVE.

Система RedWAVE представлена рядом устройств, решающих задачи подводного позиционирования для широкого диапазона потребителей: дайверов, промышленных водолазов, водолазов спасателей и поисковиков, подводных телеуправляемых аппаратов (ТНПА), подводных автономных необитаемых аппаратов (АНПА).

Принцип работы системы во многом схож с принципом работы глобальных спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС), за тем лишь отличием, что в роли навигационных спутников выступают небольшие автономные буи RedBASE, вместе образующие так называемую длинную навигационную базу. Это инновационная российская технология, не имеющая прямых арубежных аналогов.

Буи могут быть легко установлены в акватории непосредственно перед использованием навигационных устройств RedWAVE, с любого плавсредства, например, резиновой лодки. И так же легко могут быть собраны по завершении работ. Для обеспечения позиционирования используются четыре навигационных буя.

Технические характеристики:

– определение абсолютного географического положения объекта (широта, долгота, глубина);

– среднеквадратичная ошибка позиционирования – 0,48м;

– максимальная дальность действия – до 3км;

– неограниченное число позиционируемых объектов в акватории;

– полностью акустически пассивное оборудование на позиционируемом объекте (без каких-либо излучений);

– автономные буи оснащены GPS/ГЛОНАСС приемниками.

На рис. 19. представлен водолазный навигатор RedNAV

– портативный индивидуальный навигационный приёмник водолаза. Лёгкий, удобный в использовании интерфейс крепится на запястье водолаза. Масса – 300г.

Рис. 19. Индивидуальный приёмник водолаза.

Вместо него может подключаться электронный подводный планшет (ЭПВ).

Рис. 20. Приемник навигационного сигнала RedNODE

Приемник навигационного сигнала RedNODE (рис. 20) предназначен для обеспечения навигационными данными телеуправляемых подводных аппаратов (ТНПА), автономных необитаемых аппаратов (АНПА). Обеспечивает данные о географическом положении, глубине и температуре воды. Данное устройство не имеет прямых аналогов как в РФ, так и за рубежом.

Характеристики:

– диаметр /высота 64 / 62 мм

– масса 260 г.

– максимальная глубина 140 (300) м

Навигационный гидроакустический буй RedBASE (рис. 21)

Технические характеристики:

– высота / диаметр, мм 597/146

– масса 3,8 кг

– энергетическая дальность акустической связи 3000 м

– время автономной работы – до 24 часов.

Рис. 21. Навигационный гидроакустический буй RedBASE

2.2.3.4. Несколько иной принцип работы заложен в информационно-измерительном комплексе водолаза (ИКВ) «Нарочь-2», разработанном в ОАО «ЦНИИ «Курс» в 2013г. В нём водолаз имеет небольшой гидроакустический маяк-ответчик и электронный планшет. Обеспечивающий катер осуществляет измерение дистанции и пеленгование маяка, таким образом, он определяет место водолаза. Затем информация о месте передаётся водолазу по гидроакустическому каналу связи на дистанцию до 500м (телеметрия). В результате на электронном планшете водолаза отмечается текущее положение водолаза и весь его маршрут движения. Благодаря принятым оригинальным техническим решениям масса комплекса (вместе со звуковизором) составила около 7 кг. (рис. 22.)

Рис. 22. Подводный блок ИКВ. Вид сверху.

На планшет выводится информация от звуковизора и отмечаются все обнаруженные предметы. Одновременно информация записывается в память бортового компьютера.

Ведётся непрерывный контроль за водолазом, путём приёма информации с различных датчиков и сменного оборудования во время погружения. К основным контролируемым параметрам погружения и другой отображаемой информации относятся: текущие курс, глубина, координаты водолаза; давление воздуха (дыхательной смеси) в баллоне; температура воды; время нахождения под водой; частота дыхания и пульс водолаза с сигнализацией о выходе параметров самочувствия из нормы; команды руководителя спусков.

2.2.4. Комплексное решение проблемы счисления и коррекции места

Задача счисления и коррекции места водолаза и ПСД по спутнгиковым навигационным системам требует периодических подвсплытий, что демаскирует водолаза. Ясно, что чем точнее счисление места, тем меньшее количество подвсплытий необходимо.

В последнее время появились комплексные навигационные приборы, позволяющие существенно повысить точность счисления и снизить количество подвсплытий водолаза и ПСД. Одним из таких приборов является электронная панель водолаза «ДонУ» (рис. 23), разработки ООО «Морские Программные Комплексы и Технологии» (г. Геленджик).

Электронная панель водолаза (далее ЭПВ) предназначена для применения под водой водолазом, либо для установки на буксировщик и выполняет функцию позиционирования водолаза и отображения и записи данных встроенных и дополнительных датчиков и оборудования.

ЭПВ выполнена в герметичном корпусе модульной структуры, обеспечивающем возможность ее применения на глубинах до 60 метров, и имеет конструкцию, удобную для удержания руками, а также специальное крепление для установки на буксировщик.

Рис. 23. Электронная панель водолаза «ДонУ» (общий вид ЭПВ и вид спереди).

К специально предназначенному разъему ЭПВ подключается приемник GPS/ГЛОНАСС буйкового типа (или телескопической штанги) со встроенной антенной. Приемник позволяет принимать координаты текущего местоположения при нахождении антенны в надводном положении. При получении координат текущее местоположение отображается на карте (если она определена) на экране ЭПВ, а также выводятся координаты в формате ГГММ. ММММ. в одной из двух систем: GPS и СК-42.

ЭПВ питается от встроенной батареи 15В. При включении ЭПВ запускается встроенный компьютер и специальное программное обеспечение, обеспечивающее отображение на экране ЭПВ карты, навигационной обстановки, а также показаний датчиков.

Буйковые антенны GPS и ГЛОНАСС сделаны в одинаковом размере и отличаются только цветом корда. Длина кабеля – 5 метров.

Управление ЭПВ осуществляется с помощью установленных на ней кнопок и инфракрасных датчиков. Технические характеристики ЭПВ «Дон-У» приведены в таблице 4.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Таблица. 4

Все действия оператора (водолаза) производятся через перемещение курсора и нажатия на кнопку выполнения (подтверждения). Перемещение курсора осуществляется с помощью оптических датчиков (или магнитных кнопок) управления «мышью».

Для удобства выбора кнопок в группе курсор перемещается к тем кнопкам в соответствующих группах, которые, на наш взгляд, являются основными.

Глава 3. Средства связи и привода

Гидроакустические средства для водолазов и ПСД начали создаваться в Советском Союзе с 1964 г., когда была открыта ОКР «Нерей» – разработка приводной и пеленгаторной аппаратуры для водолазов и ПСД. Её выполняло КБ завода «Ахтуба», г. Волгоград. До этого водолазы осуществляли связь между собой с помощью капронового фала, а при плавании на ПСД связь с катером велась с помощью радиостанции Р-352 «Сокол» в герметичном контейнере и с буксируемой на буйке антенной.

3.1. Средства связи и привода первого поколения

Первой станцией гидроакустической (звукоподводной) связи водолазов в СССР стала ГАС МГВ-6В («Угорь-В»), выпущенная заводом «Водтрансприбор» (г. Ленинград) в 1973г. под руководством главного конструктора Таланова Л. П. (рис. 24).

Рис. 24. ГАС связи водолаза МГВ-6В («Угорь-В»).

Станция размещалась в дыхательном аппарате водолаза ИДА-71п (в нижней части). Антенна крепилась сверху ИДА, а пульт управления – на груди водолаза. Микрофонно-телефонная гарнитура (МТГ) устанавливалась в шлеме водолаза (в гидрокомбинезоне УГК-3М) и входила в гидрокостюм через зажгутованный аппендикс. Для соединения МТГ с пультом использовался двухканальный герметичный индукционный разъём.

Станция имела массу 4,5 кг (вес в воде минус 1,1 кг.), дальность связи в режиме ТЛФ 1 км (рабочая частота 35 – 37,5 кГц, модуляция однополосная, верхняя боковая полоса). Приборный блок имел диаметр 90мм и длину 400мм. Глубина погружения до 40м.

В 1974 г. ГАС МГВ-6В была установлена на двух опытных образцах носителей водолазов «Тритон-2».

Приводная и пеленгаторная аппаратура для водолазов и ПСД, разработки КБ завода «Ахтуба» (главный конструктор Жабин О. Б.). в 1968 г. успешно прошла испытания. Были созданы пеленгатор водолаза – прибор ЛВ и якорный гидроакустический маяк-ответчик – прибор ГМ. Они были приняты на снабжение ВМФ под шифром МГВ-3 (рис. 25).

Пеленгатор работал на частоте 35 кГц, позволял дистанционно включать приводной маяк на дистанции 1 и 4 км., и пеленговать его амплитудным методом с погрешностью +150. Кроме того, была возможность обнаруживать и пеленговать любые гидроакустические сигналы в диапазоне от 3 до 30 кГц.

Масса прибора ЛВ 9 кг (в воде +0,5кг). Масса гидроакустического маяка 40 кг. (вместе с якорем и капроновым фалом). Он мог погружаться на глубину до 40 м и автоматически устанавливаться на глубине 15м.

Рис. 25. Приводная и пеленгаторная аппаратура для водолазов и ПСД МГВ-3 («Нерей»).

Длина капронового фала якоря позволяла устанавливать маяк при глубине моря до 200м.

В 1976г прибор ЛВ был модернизирован и его масса уменьшилась до 5,5кг., (внешний вид нового прибора ЛВ изображён на рис. 26).

Рис. 26. Прибор ЛВ после модернизации.

ТТХ его не изменились. Аппаратура получила наименование МГВ-3М.

Для носителя водолазов «Тритон-2» (рис. 27) был создан бортовой вариант приводной и пеленгаторной аппаратуры «Нерей» под шифром ВГМ-459. Она имела индикатор в виде электронно-лучевой трубки и пеленговала маяк с точностью +2⁰ за счёт хорошей антенны, состоящей из четырёх звукоизолированных штырей с сектором направленности 90 ⁰ каждый.

Рис. 27. Носитель водолазов «Тритон-2».

Рис. 28. Внешний вид ГАС ВГМ-459.

В 1978 году аппаратура была принята на снабжение ВМФ под шифром МГВ – 11 (рис. 28).

3.2. Средства связи и привода второго поколения

В 1978 г. Минсудпромом было принято решение о создании нового многофункционального ГАК «Припять» для водолазов и ПСД. ОКР была поручена КБ «Риф» (с 1980 г. – НИИ «Риф»), г. Бельцы, Молдавской ССР. В ТТЗ автором этой книги был предложен знакофазовый метод пеленгования сигналов ГА-маяка с раздельной индикацией на левый и правый телефоны водолаза (маяк справа – работает правый телефон, маяк слева – работает левый телефон, маяк точно по курсу – работают оба телефона водолаза).

В 1982—1983 гг. главным конструктором ГАК Скуратовским А. В. была создана и испытана ГАС связи и привода водолаза, станция «Припять-В1». Испытания проводились в Балаклавской бухте, под Севастополем, и показали хорошие результаты. Водолазы свободно выходили на гидроакустический маяк, ориентируясь по раздельной работе левого и правого телефонов. Оба телефона работали, когда маяк был точно по курсу. Общий вид и состав приборов ГАС «Припять-В1» представлен на рис. 29.

Единственным минусом был большой вес ГАС водолаза в воде (минус 1,5кг). Водолазы снимали почти все груза, чтобы обеспечить нулевую вывеску, а с дополнительным газовым баллончиком просто тонули. Превышение веса было вызвано внезапным запретом Минсудпрома на использование серебряно-цинковых аккумуляторов (в целях удешевления аппаратуры). В результате аккумуляторы СЦС-3 были заменены на КНГ-4, имеющие значительно большие габариты, из-за чего сильно вырос в размерах блок питания.

Рис. 29. ГАС водолаза «Припять-В1». Слева – направо: блок питания (крепится на правом боку, на поясном ремне водолаза), микрофонно-телефонная гарнитура (для надводной ГАС командира), пульт управления (крепится слева, на поясном ремне водолаза), основной блок (приор 4, размещается внутри ИДА-71п), гидроакустический фонарик – гидролокатор (размещается на левой руке водолаза), гидроакустические антенны (крепятся на дыхательном аппарате, сверху).

ГАС «Припять-В1» работала на дух частотах, 35 и 200 кГц. На частоте 35кГц дальность связи составляла 1км. и привода – до 2 км; на частоте 200кГц дальность связи составляла 100м, привода – до 200м.

После принятия на снабжение ВМФ комплекс получил наименование МГВ-13В.

В состав ГАК «Припять» входили и два приводных маяка-ответчика – донный, с частотами 35 и 200кГц, (рис. 30) и якорный, с частотой 35кГц и дальностью привода до 4-х км.

Рис 30. Донный гидроаку-стический маяк-ответчик «Припять-МК1». Работал на двух частотах 35 и 200кГц. Масса – 2кг.

В целом, знакофазовый метод пеленгования в глубоком море оправдал себя. Однако, в прибрежных районах, в условиях сильных реверберационных помех (донная реверберация от камней, отражения сигнала от пирсов, кораблей внутри ВМБ) фаза сигнала искажалась, и пеленгатор давал ошибки.

И всё же этот метод пеленгования в последствии был заложен и в перспективную ГАС «Припять-Д» (рис. 31) для носителей водолазов «Сирена-К» и «Сирена-М» В 1998г. он успешно прошёл испытания. Индикация осуществлялась на двух светодиодах (левый —зелёный, правый – красный).

Рис. 31. Кабина носителя водолазов «Сирена-К» с комплексной ГАС «Припять-Д».