Гидроакустический модем

Введение

Наблюдая за морскими обитателями, человек пытался подражать им. Относительно быстро он научился строить  сооружения, способные держаться  на воде и передвигаться по ее поверхности, а вот под водой... Поверия и  легенды упоминают об отдельных  попытках, предпринятых людьми в этом направлении, но понадобились века на то, чтобы более-менее правильно  представить и выразить в чертежах конструкции подводного судна. Одним  из первых это сделал великий творец эпохи Возрождения итальянский  ученый Леонардо да Винчи. Утверждают, что Леонардо уничтожил чертежи  своей подводной лодки, обосновав  это следующим образом: "Люди настолько  злобны, что готовы были бы убивать  друг друга даже на дне морском".

Великий ученый и изобретатель, просветитель и романтик ушедшего тысячелетия  Жак Ив Кусто писал, что рано или  поздно человек поселится на дне  океана. Военные цели и потребности, начало широкомасштабной добычи нефти и газа в зоне шельфа, а также заложенное в человеке стремление к изучению непознанного, достижению максимальных «вершин и глубин», реализованное целой плеядой выдающихся личностей, привели в XX веке к бурному развитию подводных технологий и специального оборудования, способов обеспечения безопасной жизнедеятельности в экстремальных условиях. 
Наряду с космическими и авиационными, подводные технологии являются высшим, постоянно развивающимся прикладным, техническим и медико-физиологическим направлением созидательной и, к сожалению, разрушительной деятельности человечества. Здесь реализуется «сумма технологий» (удачный термин известного писателя и футуролога Станислава Лема) практически из всех областей фундаментальной и прикладной науки: новые материалы, гидродинамика, атомная энергетика и другие автономные источники энергии, различные двигатели, информационные технологии, системы автономного жизнеобеспечения, весь комплекс знаний о человеке. 
Подробно об истории познания и использования океана, начало которой уходит в далекие 4500-3200 гг. до н. э. (добыча жемчуга, кораллов, раковин, военные операции боевых пловцов) и которая связана с именем такого гения, как Леонардо да Винчи с его знаменитым «Атлантическим кодексом», с именами известных ученых, можно узнать из вышедшего в 2001 г. руководства А. Ю. Утевского и соавторов под названием «Книга для подводных пловцов «SCUBA-diving».

Использование энергетических, минеральных и биологических  ресурсов океана, эксплуатация, ремонт и строительство подводных технических  объектов (гидроэлектростанций, плотин, портовых сооружений и др.), ремонт и  очистка подводной части судов  и др. невозможны без пребывания и работы человека под водой.

Зачем Украине подводные  технологии? 

Для Украины особый интерес  представляют запасы углеводородов  в украинских секторах шельфа Черного  и Азовского морей. Государственное  производственное предприятие «Черноморнефтегаз», которое охватывает весь комплекс проблем разведки и добычи нефти и газа, уже сейчас имеет в своем производственном комплексе 8 морских газодобывающих платформ, две плавучие самоподъемные платформы, более 200 км подводных трубопроводов, 23 единицы специализированного флота. Все эти объекты связаны с выполнением водолазных работ. На увеличение объемов добычи нефти и газа направлена «Национальная программа освоения углеводородных ресурсов Черного и Азовского морей», которая утверждена постановлением КМ Украины от 17.09.1996 г. № 1141, а также последующие правительственные решения. 
В перечень приоритетных направлений Министерства образования и науки Украины входит Государственная научно-техническая программа «Экологическая безопасность прибрежной полосы Черного и Азовского морей и комплексное использование ресурсов шельфа». 
Соответствующими глубоководными технологиями и техникой в цивилизованной стране должно быть обеспечено также проведение аварийно-поисковых и аварийно-спасательных операций. В настоящее время в МЧС Украины открыт Государственный координационный центр реагирования на чрезвычайные ситуации на водных объектах. Несмотря на кажущуюся высокую интенсивность подводной деятельности, в Украине она во многом пока еще осуществляется в форме бумажного планирования. Выполнение сложного комплекса подводных работ требует непосредственного контакта человека с водной средой, его энергичной физической и напряженной умственной деятельности в неблагоприятных для организма условиях. Заманчивые горизонты, открывающиеся с развитием подводной робототехники, заметно отодвигаются при оценке объема капиталовложений, сопоставимого с космическим, и ненадежности результата, что подтверждено неудачами в использовании роботов при ликвидации аварии на ЧАЭС.

Раздел 1

При разработке связи подводного комплекса нужно учитывать все  параметры надежности, скорости и  качества передаваемой информации. Для  обеспечения наивысшего качества проведения подводных работ разной сложности  необходим полный и не прерывный  контроль сбора информации действующего подводного аппарата.  Для получения  таких параметров целесообразно  использовать подводные гидроакустические  модемы, так как они являються  более практичными из-за отсутствия проводных связей. В последнее  время тема подводных средств  связи, улучшение качества передаваемой информации стала более актуальной в связи с научно-техническим  прогрессом и ученые всего мира принимают  активное участие в решении данного  вопроса.

Немецкая фирма EvoLogics GmbH, специализирующаяся на производстве средств подводной связи, объявила об успешном выводе на рынок подводных акустических модемов нового поколения, созданных по технологии S2C (sweep-spread carrier). Данные модемы способны обмениваться информацией с находящимся на удалении объектом с помощью приемо-передающей антенны. S2C модемы могут использоваться при проведении различных подводно-технических работ, и уже применяются для телеметрических измерений в районах Атлантического океана, Балтийского и Черного моря.  
Новая разработка обладает широким сектором обзора, что кардинально отличает ее от выпускаемых ранее подводных телеметрических систем, которые имели узкий сектор обзора.  
Высокое качество связи нового поколения акустических модемов S2C R было подтверждено в ходе шестимесячных испытаний на базе Arkona. За это период была доказана надежность и результативность системы передачи данных этих модемов – информация всегда передавалась четко, снижая  шум, возникающий при отражениях и эффекте Доплера.

Автономные необитаемые  подводные аппараты (АНПА) обладают потенциалом, способным изменить существующие принципы проведения подводно-технических  работ и успешно демонстрируют  свои возможности в качестве эффективных  инструментов при решении широкого спектра задач. Использование автономных средств снижает стоимость проведения работ и повышает эффективность.  
АНПА успешно применяются в области гидрологии, геологии морского дна. К классу задач использования АНПА в области морской геологоразведки относится поиск месторождений нефти, газа и газогидратов. АНПА могут успешно использоваться в сложных климатических условиях для проведения подледных работ, при прокладке кабеля, а также инспекцией подводных сооружений. Обладая рядом преимуществ по сравнению с другими видами подводных технических средств, современные подводные аппараты имеют возможность производить прецизионные измерения в сочетании с высокой точностью навигационной привязки, обеспечивать возможность оперативного мониторинга и документирования информации для освещения подводной обстановки. Автономные аппараты являются программируемыми адаптивными системами, имеющими ряд преимуществ перед телеуправляемыми (привязными) системами. Основными достоинствами являются отсутствие функциональной зависимости АНПА от обеспечивающего судна-носителя, большая зона покрытия и скорость выполнения осмотра, сбор данных в непосредственной близости к объекту исследования. Выход к цели и выполнение миссии АНПА осуществляет с программой, составленной оператором. Оптимальные параметры движения, последовательность работы приводов и т. п. в ходе выполнения операций выбираются с учетом текущих условий внешней среды и параметров внутреннего состояния АНПА.  
В настоящее время следует выделить следующие области применения АНПА:  
- Геодезическая съемка рельефа морского дна;  
- Осмотр и обследование подводных конструкций установок газо- и  
нефтедобычи, газо- и нефтепроводов, кабельных трасс;  
- Подледные исследования.  
Также АНПА используется для выполнения следующих задач:  
- Поисковые операции;  
- Оперативный и долговременный мониторинг водной среды;  
- Измерение гидробиологических, гидрохимических и гидрофизических  
параметров среды с последующим картографированием данных;  
- Исследования топографии морского дна и биосферы на мелководье, больших глубинах, в подледных условиях. 

                                                               АНПА GAVIA  
Подводный аппарат имеет модульный принцип построения системы, тем самым обеспечивая возможность конфигурации и перестройки в соответствии с требованиями к производимым работам.  
Основные системы, входящие в состав АНПА: система управления ПА, система энергообеспечения, движительно-рулевой комплекс, навигационный комплекс, информационно-измерительная система, система передачи данных, комплекс технического зрения.  
Модуль управления и связи является «ядром» аппарата, представляет собой систему программного управления, содержит основной компьютер аппарата, управляющую электронику, программное обеспечение управления аппаратом, установленное на ПК. Также модуль включает в себя стандартное коммуникационное оборудование: для связи на поверхности – беспроводную локальную вычислительную сеть (Wi-Fi), проводную локальную вычислительную сеть (Ethernet), спутниковую связь Иридиум; для передачи данных в подводном положении – гидроакустическая система связи (ГАСС), реализованная посредствам акустической модемной пары. Информационно-измерительная система, реализованная в данном модуле, содержит измерители основных параметров среды – датчики температуры, давления (глубины), электропроводности, скорости звука и т.д.  
Система энергообеспечения аппарата реализована в батарейном модуле, состоящем из литий-ионных аккумуляторов, зарядных устройств, элементов управления питанием. Автономность ПА зависит от типа энергетической системы. При минимальном количестве задействованных при прохождении миссии устройств, имея емкость одного батарейного модуля равную 40 Ач, АНПА «GAVIA» может пройти дистанцию около 45 км, при скорости хода 1,53 м/с.  
Движительно-рулевой комплекс расположен в движительном модуле. В качестве пропульсивной установки используется гребной электродвигатель. Управление курсом, креном, дифферентом осуществляется за счет независимых рулевых устройств.   

Система технического зрения, представленная на рассматриваемом  аппарате состоит из гидролокатора бокового обзора (ГБО), фотокамеры, впередсмотрящего эхолота для уклонения от столкновений. Таким образом, система получает данные обзора и съемки дна, а также информации, необходимой для управления. Комплекс данной системы может включать гидролокаторы кругового обзора, многолучевые гидролокаторы, интерферометрические ГБО, профилографы.  
Навигационный комплекс состоит из бортовой, гидроакустической, спутниковой навигационных систем. Бортовая система представляет собой комплексированную доплер-инерциальную систему, состоящую из высокоточной бесплатформенной инерциальной навигационной системы (ИНС). ИНС корректируется данными доплеровского лага, который измеряет скорость аппарата над грунтом или относительно воды. Использование данных о высоте над грунтом, предоставляемых доплеровским лагом, позволяет АНПА удерживать отстояние от дна, необходимое для выполнения съемки ГБО или фотографической съемки. Для получения позиции в надводном положении используется приемник DGPS. Гидроакустическая навигационная система обеспечивает определение позиции АНПА с установленным на борту маяком-ответчиком относительно приемо-передающей антенны либо установленных на дне маяков.  
Модульная архитектура подводного аппарата позволяет интегрировать в систему новые модули, разработанные как производителями оборудования, так и конечными пользователями. Базовая конфигурация служит платформой для различных приложений АНПА, конкретные требования реализуются в виде дополнительных модулей.  
Пользовательский интерфейс является основным инструментом управления АНПА. При помощи программного обеспечения становится возможно осуществлять:  
- планирование миссии – разработка пользователем плана миссии для АНПА;  
- работу и управление - пользователь наблюдает за работой АНПА и имеет возможность вмешаться в его работу;  
- просмотра миссии и анализа - сбор данных, обработка и презентация, пользователь работает с данными, собранными во время миссии АНПА. 

На даную модель АНПА вместо беспроводной локальной вычеслительной сети (Wi-Fi) применить подводный гидроакустический модем серии S2CR 48/78 можно получить гораздо эффективный результат работы с передаваемой информацией исходя из технических характеристик модема.

S2CR 48/78 с горизонтально  всенаправленной диаграммой направленности  преобразователя высокоскоростное  устройство для общения в реверберации  мелководья, обеспечивая скорость  передачи данных до 31,2 Кбит / с в течение 1000-м диапазоне. Высокая частота работы обеспечивает высокую производительность даже в шумной обстановке.

Применения:

• Ближняя операций на мелководье
• Высокая скорость передачи данных задач
• Данные ссылка на АПА и ДУА
• Подводные акустические сенсорные сети

Спецификация