Водолазная электроника

Юрий Берков

Книга предназначена для инженеров-конструкторов электронной аппаратуры для водолазов, решающих задачи подводной навигации, связи, привода, телеуправления, поиска затонувших предметов, коррекции речи. В книге представлены отечественные разработки в указанных областях и перспективы дальнейшего развития этих направлений. Книга может быть полезна студентам технических вузов, профессиональным водолазам и дайверам.

Глава 2. Подводная навигация

Существует несколько способов определения места водолаза и подводных средств движения (ПСД) под водой:

— плавание по счислению;

— ориентация (определение места) по спутниковой навигационной системе GPS или «ГЛОНАСС» при подвсплытии;

— ориентация по гидроакустическим маякам.

2.1. Плавание по счислению

Является наиболее простым и наименее точным методом определения места водолаза, при плавании на ластах или на подводных средствах движения (буксировщиках, носителях водолазов).

В начале определяются координаты точки погружения водолаза. Они могут быть привязаны к географической карте или к точке определения места по GPS — ГЛОНАСС на маневренном планшете.

Затем координаты заносятся в систему счисления, и прокладывается траектория движения водолаза. В простейшем случае это может быть курс по магнитному компасу.

Далее счисление места может вестись по показаниям лага, компаса и глубиномера. Если лага нет, то используются часы и скорость, определённая на мерной линии для данного режима (темпа) движения. Эти показания перемножаются и дают пройденную дистанцию.

2.1.1. Навигационные приборы счисления места первого поколения

В ХХ веке в нашей стране был создан ряд навигационных приборов, позволяющих вести счисление места водолаза. Так, в начале 70-х годов в Советском Союзе (НИИ ШП «Дельфин», г. Ленинград) был создан навигационный прибор водолаза НПВ-2 (рис. 4).

Рис. 4. Буксировщик водолаза «Протон» с навигационным прибором водолаза НПВ-2.

Цифрами на рисунке обозначены: 1 — прибор НПВ-2; 2 — магнитный компас «Дружба»; 3 — часы «Восток-амфибия»; 4 — глубиномер Г-5; 5 — индикатор скорости и дистанции; 6 — место для плёночного планшета.

Прибор имел в своём составе магнитный компас, часы, глубиномер и механический (вертушечный) лаг, который измерял скорость при помощи вращающегося набегающим потоком воды винта. Он же измерял и пройденную дистанцию. Прибор устанавливался на всех видах буксировщиков и мог буксироваться водолазом вручную. На передней площадке прибора НПВ-2 мог быть закреплён плёночный планшет с картой и оптическим пеленгатором (съёмным).

В 2008г. (после перестройки) были проведены межведомственные испытания подводного навигационного прибора УПН-1 (производства Котав-Ивановского завода).

Навигационный прибор УПН-1 (рис. 5) позволяет определять:

— направление по магнитному компасу в подводном и надводном положениях;

— путь и скорость по механическому лагу;

— глубину по глубиномеру;

— время по электронным часам.

Рис. 5. Навигационный прибор водолаза УПН-1.

Цифрами на рисунке. обозначены: 1 — поворотные ручки с источниками питания для подсветки приборов; 2 — электронные часы и лаг; 3 — магнитный компас; 4 — глубиномер; 5 — место для маневренного планшета.

Технические характеристики навигационного прибора УПН-1:

— максимальная глубина погружения — до 40 м;

— время непрерывной работы — не менее 10 часов;

— точность курсоуказания по магнитному компасу — не менее +1º;

— точность определения глубины — 1 м;

— погрешность определения пути и скорости — не более 2%;

— два уровня подсветки приборов;

— съемный планшет для маршрутного задания;

— масса — 3 кг.

Рис. 6. Плавание на буксировщике «Протон-С» с навигационным прибором УПН-1.

Навигационный прибор УПН-1 может применяться водолазом автономно, в дневное и ночное время (с использованием подсветки). Органы управления рассчитаны на работу в водолазных перчатках. Навигационный прибор УПН-1 имеет цифровую калибровку лага.

Недостатками указанных выше приборов счисления первого поколения являются:

— постоянно нарастающая ошибка счисления места при продолжительном плавании;

— сложность точного учёта погрешностей магнитного компаса (девиации и склонения);

— плохая читаемость показаний приборов в мутной воде;

— увеличение ошибки измерения скорости и дистанции механического (вертушечного) лага со временем за счёт износа трущихся поверхностей или их загрязнения;

— невозможность учёта приливо-отливных, ветровых и постоянных течений.

Всё это делает невозможным длительное плавание водолаза и ПСД по счислению из-за больших навигационных ошибок.

2.1.2. Навигационные приборы счисления места второго поколения

В последние годы нашим специалистам удалось значительно повысить точность плавания водолаза и ПСД по счислению за счёт внедрения:

— цифровых магнитных компасов;

— электронных глубиномеров;

— абсолютных (доплеровских) гидроакустических лагов.

— бесплатформенных инерциальных систем.

2.1.2.1. Цифровой магнитный компас представляет собой прибор, у которого нет вращающейся картушки или магнитной стрелки, а положение в магнитном поле Земли определяется с помощью магнитных (магнитометров, магниторезисторов) или индукционных датчиков.

Для примера рассмотрим цифровой магнитный компас ЦМК-01 (рис. 7). Он предназначен для измерения трёх компонент магнитного поля Земли и определения магнитного азимута.

Основными конструктивными узлами являются:

— трехкомпонентный магнитометрический гальваномагнитный преобразователь;

— цифровой интерфейс обмена данными;

— высокая частота выдачи измерений;

— встроенный цифровой датчик температуры для температурной компенсации результатов измерений.

Рис. 7. Цифровой магнитный компас ЦМК-01.

Основные технические характеристики компаса ЦМК-01 приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Структурная схема ЦНК-01 приведена на рис. 8.

Большим преимуществом цифровых магнитных компасов перед обычными (стрелочными, картушечными) является наличие микроконтроллера, позволяющего автоматически вводить поправки на магнитное склонение и девиацию, что значительно повышает точность курсоуказания. Другим преимуществом является возможность отображения курса на цифровом индикаторе или электронном планшете с хорошей читаемостью ночью или в мутной воде.

Рис. 8. Структурная схема компаса ЦНК-01.

В последние годы появились цифровые компасные платы (рис. 9), которые легко встраиваются в цифровой навигационный комплекс.

Рис. 9. Цифровая компасная плата HMR3100 на индукционных датчиках.

В состав платы входит аксельрометр для компенсации дифферента.

2.1.2.2. Электронные глубиномеры (датчики глубины) представляют собой механоэлектрический преобразователь — сенсор, то есть устройство, преобразующее давление, в электрический параметр: сопротивление, емкость, электрический заряд и т. д. Сенсор должен иметь чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает распределенную по поверхности силу и преобразует механическую энергию в электрическую. Идеальным решением для создания сенсора давления в нашей стране оказалось применение структуры кремний на сапфире (КНС).

Выбор сенсора КНС типа объясняется наличием отечественных производителей данного типа приборов, высокими исходными метрологическими характеристиками. Это позволило создать малогабаритные электронно-цифровые глубиномеры с диапазоном измерения глубин 1 — 10000м. и погрешностью измерений 0,06% (рис. 10.) Созданы также индукционные и ёмкостные датчики давления.

Рис. 10. Электронный датчик глубины на основе КНС.

2.1.2.3. Абсолютные (доплеровские) гидроакустические лаги (рис. 11) измеряют скорость судна относительно грунта. Все разработанные в настоящее время малогабаритные абсолютные лаги являются высокочастотными.

Принцип их работы основан на использовании эффекта Доплера. Импульс ультразвуковых колебаний, посылаемых с судна, отражается от грунта и возвращается обратно к судовому приемнику лага. При движении судна частота принятого сигнала будет отличаться от излучаемой в зависимости от скорости хода. Принцип работы ГАЛ заключается в измерении доплеровского сдвига частоты высокочастотного гидроакустического сигнала, посылаемого с судна и отражённого от поверхности дна. Результирующей информацией являются продольная и поперечная составляющей путевой скорости. ГАЛ позволяет измерить их с погрешностью до 0,1%. Разрешающая способность высокоточных ГАЛ составляет 0,01 уз.

Рис. 11. Характеристики направленности антенн ГАЛ. Цифрами на рисунке обозначены акустические лучи от антенн.

Большинство существующих ГАЛ морских судов обеспечивают измерение абсолютной скорости при глубинах под килём до 200—300 м. При больших глубинах лаг перестаёт работать или переходит в режим измерения относительной скорости, т.е. начинает работать от некоторого слоя воды как относительный лаг. Антенны ГАЛ не выступают за корпус судна.

Для водолазов и ПСД ГАЛ должен иметь минимальные габариты, поэтому рабочая частота его выбирается в диапазоне 200 — 300кГц. Это обеспечивает измерение глубины и скорости ПА (ПСД) до 50м.

В начале 90-х годов в СССР была завершена разработка малогабаритных лагов ЛА-51, ЛА-52 и ЛА-53, обладавших повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками. Причем, информационные возможности двух последних были значительно расширены за счет обеспечения измерений (помимо абсолютной и относительной скорости корабля) скорости и направления течений на различных горизонтах, глубины моря в точках падения на грунт акустических лучей лага и отстояния этих точек от антенной системы. ГАЛ ЛА-51 был установлен на ПСЛ «Сирена-М» и прошёл государственные испытания.

В настоящее время созданы малогабартные ГАЛ для водолазов и ПСД массой 3 — 5 кг. На глубинах более 50м они работают как относительные (измеряют скорость относительно нижних слоёв воды), что несколько снижает точность их показаний.

2.1.2.4. Бесплатформенные инерциальные системы (БИНС) это новый вид инерциальных приборов, имеющих малые габариты и позволяющих выдавать координаты водолаза или ПСД в трёх плоскостях.

Основа БИНС это блок чувствительных элементов, состоящий из 3-х ортогонально расположенных гироскопов (датчиков угловой скорости) и 3-х ортогонально расположенных акселерометров.

Блок-схема БИНС представлена на рис. 12.

Рис. 12. Блок-схема бесплатформенной инерциальной системы.

В бесплатформенных инерциальных навигационных системах нет подвижных деталей. Сам гироскоп, можно сказать, трансформировался в электровакуумный прибор.

В настоящее время гироскопы есть лазерные, волоконно-оптические, волновые твердотельные, микро-механические. Какой из них самый совершенный — это вопрос удовлетворения требований потребителя к точности формирования навигационной информации. Чем ниже точность и проще технология, тем дешевле БИНС.

Есть и другие типы гироскопов, которые еще не достигли технологического совершенства и не используются индустриально, например, СВЧ, ядерный магнитно-резонансный (рис. 13.), гироскоп на холодных атомах и другие.

Рис. 13. Гироскоп на базе микроядерного магнитного резонанса (рядом монета).

Современный БИНС на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах является одним из наиболее сложных, дорогих и высокотехнологичных изделий авиакосмической промышленности.

Разработкой БИНС авиационного применения в России занимаются ряд организаций, в том числе и Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА), входящий в КРЭТ. Причем БИНС только этого института принят в серийное производство. Системы навигации на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах, разработанные в МИЭА входят в состав комплексов бортового оборудования современных и перспективных самолетов гражданского и военного назначения.

Кольцевые лазерные гироскопы и кварцевые акселерометры сегодня — самые точные и наиболее распространенные в мире.

Принцип действия лазерного гироскопа заключается в том, что внутри замкнутого по периметру пространства, образованного системой зеркал и корпусом, изготовленным из специального стекла, возбуждаются два лазерных луча, которые по каналам идут навстречу друг другу. Когда гироскоп находится в состоянии покоя, два луча «бегут» навстречу друг другу с одинаковой частотой, а когда начинает совершать угловое движение, то каждый из лучей изменяет свою частоту в зависимости от направления и скорости этого движения.

Через одно из зеркал выводится часть энергии лучей и формируется интерференционная картина. Наблюдая за этой картиной, с помощью фотоприемника считывают информацию об угловом движении гироскопа, определяют направление вращения по направлению движения интерференционной картины и величину угловой скорости по скорости ее движения. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический, а дальше начинаются процессы его усиления, фильтрации и отделения помех.

Сам гироскоп одноосный, он измеряет угловую скорость, действующую вдоль его оси чувствительности, которая перпендикулярна плоскости распространения лазерных лучей. Поэтому система состоит из трех гироскопов. Для получения информации не только об угловом, но и о линейном движении объекта в системе используются три измерителя ускорения — акселерометра. Это очень точные приборы, в которых на упругом подвесе в виде маятника подвешивается пробная масса. Современные акселерометры осуществляют измерения с точностью до одной стотысячной доли ускорения свободного падения.

Опытный образец новейшей бесплатформенной инерциальной навигационной системы БИНС-2015, способной работать без связи с GPS и ГЛОНАСС, весьма длительное время уже готов и прошел все испытания.

БИНС способна определять местоположение летательного аппарата автономно, без использования спутниковой навигации и связи с наземными объектами. Она может в условиях отсутствия сигналов извне определять координаты и параметры движения объекта, на котором установлена. При этом учитываются воздушные течения и перепады высоты.

Один из вариантов конструктивного исполнения современной БИНС представлен на рис. 14.

Рис. 14. Бесплатформенная инерциальная навигационная система ТВГ-1Г

Недостатком дешёвых электромеханических БИНС является существенное увеличение погрешности счисления координат с увеличением дальности и времени плавания. Поэтому высокую точность (ошибку в несколько метров) можно достичь только используя средства внешней коррекции (GPS и ГЛОНАСС). Кроме того, они самостоятельно не входят в меридиан, как гирокомпасы.

Из этого следует, что система счисления координат для ПСД может состоять и без БИНС, только из цифрового магнитного компаса, электронного глубиномера и доплеровского лага, плюс — средства внешней коррекции, используемые при подвсплытии.

В целом, все навигационные электронные приборы второго поколения позволяют выдавать сигналы в систему автоматики ПСД и за счёт этого реализовать автоматическое управление по курсу и глубине, а также автоматический выход ПСД в заданную точку. Это значительно облегчает работу водолаза.

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:

Конец ознакомительного фрагмента.