Маяки для подводных роботов

Беспилотные подводные аппараты становятся все популярнее в военных кругах, однако существует важная проблема: скрытная навигация под водой 14 Июнь 2016, 13:19
Лаборатория Draper Labs — работающая с DARPA по контракту на создание навигационной системы для автономных подводных аппаратов (договор подписан в марте 2016 года) — занимается решением этой проблемы.

Цель программы — «революция подводной навигации так же, как GPS перевернул индустрию навигации на суше». Об этом заявил Нил Адамс — глава подразделения по работе с оборонными системами в Draper Labs.

Чтобы оставаться незаметными, беспилотные подводные аппараты используют инерциальные системы отсчета. По словам Адамса, при выполнении длительных миссий эти системы накапливают ошибки, в результате точная навигация становится невозможной. 

«Инерциальные системы … существует множество их типов, однако у них есть одно общее место — систематические отклонения» - сказал он. «Их измерительные компоненты со временем смещаются, им нужен некий внешний источник для калибровки инерционных инструментов». По словам Адамса, даже лучшие системы не могут функционировать длительные периоды времени без исправления отклонений. GPS — один из способов решения проблемы. Однако его сигналы плохо проходят сквозь воду. Адамс добавил: «единственный способ работы с применением GPS — это всплывать, перенастраивать сенсоры и уходить под воду опять».

Одно из потенциальных решений — размещение под водой системы антенн, которые будут передавать точные данные при помощи акустических волн. Звуковые волны могут преодолевать расстояния в тысячи километров под водой, выполняя, по сути, ту же функцию, что и GPS на поверхности.

«Подобные маяки можно расставить по дну океана» - говорит Адамс. Антенны «будут знать свое точное местоположение и распространять сигнал так же, как спутники GPS.» Адамс не раскрыл точное число антенн, нужное для полноценного функционирования системы, однако, чтобы покрыть всю планету, их будет нужно относительно немного. Он добавил, что «нам не нужно будет заваливать океаны передатчиками».

Согласно пресс-релизу компании, первая часть контракта начала исполняться в апреля, когда инженеры из Draper начали «разрабатывать высокоточные модели расположения сигналов для распространения в океане». В январе начнутся морские испытания для проверки этих разработок.

Вторая фаза начнется весной 2017-го года, тогда будет начата выработка оптимальной длины волн. В ближайшие два года Draper будет разрабатывать прототип маяка. По словам Адамса, испытания в море назначены на 2018-й год.

В чем революция?

В 2013 году был опубликован доклад "Развитие морской робототехники в России и за рубежом", в котором одна из глав была посвящена гидроакустическим навигационным системам позиционирования (ГАНС). 

Небольшая выдержка из данного доклада: 

ГАНС представляет собой систему, состоящую из нескольких стационарных передающих гидроакустических маяков, установленных на морском дне и сопровождающем судне, маяка-ответчика на НПА и узла обработки информации. Впрочем, используются и другие способы размещения маяков. В зависимости от этого различают ГАНС с длинной базой (ГАНС ДБ), ГАНС с короткой базой (ГАНС КБ), ГАНС с ультракороткой базой (ГАНС УКБ), их комбинации и комбинации со спутниковой навигацией.

ГАНС ДБ используют несколько маяков (транспондеров) с установленными на них акустическими приемопередатчиками. Эти маяки, расположенные в местах с известными географическими координатами, излучают звуковые волны, позволяя НПА определять дистанцию до них. Для работы системы в заданном районе необходимо использовать как минимум три акустических маяка. НПА производит триангуляцию для вычисления собственного положения относительно них. Для построения ГАНС ДБ используются три или более маяков, стационарно устанавливаемых на морском дне, на расстоянии примерно 500 метров друг от друга. Достоинства таких систем - высокая точность определения координат (субметровая точность), отсутствие влияния на точность волнения моря, неограниченная глубина использования. Недостатки - необходимость точной выставки маяков на морском дне, необходимость подъема их по окончании работ. Основное применение ГАНС ДБ - длительные работы по обследованию каких-либо подводных объектов, строительство и эксплуатация нефтедобывающих платформ, прокладка трубопроводов.

К достоинствам таких систем относят их сравнительно небольшую стоимость и мобильность. Их можно использовать практически на любом судне, вплоть до резиновой лодки, крепя приемо-передающую антенну (ППА) на штанге. К недостаткам относится высокая степень влияния качки на точность и работоспособность системы.

Примером ГАНС УКБ может служить ГАНС TrackLink 1500 американской компании LinkQuest, которая представляет собой портативную переносную систему, способную работать с любых типов судов-носителей и небольших катеров. Несколько десятков приёмо-передающих элементов конструктивно объединены в едином корпусе, который может опускаться в воду непосредственно с борта судна-носителя. Такое построение, с одной стороны, позволяет достичь высокой точности позиционирования, а с другой стороны, снизить массогабаритные размеры системы и время подготовки её к работе, что является немаловажным при проведении поисково-спасательных операций. При выполнении подводных работ, требующих высокоточного позиционирования, например прокладке и обследовании трубопроводов, строительстве гидротехнических сооружений и нефтяных платформ и т.п., рекомендуется стационарно закреплять ППА на специальной штанге для спуска с борта или монтировать выдвижную штангу в корпусе судна. Такой способ крепления обеспечивает стабильное положение ППА относительно судна-носителя, особенно при работе на сильном волнении и течениях.

Для установки на подводные объекты в состав ГАНС входят различные типы маяков-ответчиков, унифицированные по массогабаритным размерам и времени непрерывной работы. Питание маяков осуществляется от встроенных аккумуляторов или от бортовой сети подводных объектов. Использование современных технологии в производстве аккумуляторов питания обеспечивает длительную работу маяков-ответчиков в активном режиме. При длительном отсутствии сигналов-запросов с ППА маяк-ответчик автоматически переходит в режим ожидания для экономии ресурса аккумуляторов. Такой алгоритм работы обеспечивает длительное (до нескольких месяцев) нахождение маяка-ответчика под водой.

Обработка всех сигналов с ППА производится в надводном блоке управления и отображения, который представляет собой стационарный компьютер или ноутбук. В отличие от большинства аналогичных систем, предлагаемых на рынке, кабель данных с ППА подсоединяется непосредственно к последовательному порту компьютера (ноутбука). Математическая и графическая обработка данных осуществляется с помощью специального программного обеспечения. На экране монитора в реальном масштабе времени выводятся текущие координаты подводных объектов, параметры и траектория их движения относительно судна-носителя. Программное обеспечение имеет возможность дополнительно обрабатывать и выводить на монитор данные с навигационной системы GPS и внешнего датчика качки. Данные приборы подключаются к ноутбуку через последовательный порт или блок сопряжения.

Компания-производитель LinkQuest предлагает специальную модификацию ГАНС TrackLink 1500LC для работы с миниатюрными телеуправляемыми подводными аппаратами типа «СиБотикс». Такая система имеет специальную гидроакустическую антенну с защитой от поверхностных шумов способную работать с малых катеров или лодок и небольшой маяк-ответчик (вес в воде менее 200 г). Технические возможности системы позволяют осуществлять позиционирование подводного аппарата во всём диапазоне рабочих глубин.
Принцип работы системы ГАНС
Разработкой систем ГАНС в России занимается Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Опытно-Конструкторское Бюро Океанологической Техники РАН

Однин из продуктов выпускаемых ОКБ Океанологической техники - гидроакустическая навигационная система с ультракороткой базой ГАНС-УКБ нового поколения. 

Назначение и область применения изделия ГАНС-УКБ

 ГАНС – УКБ предназначена для определения координат подводных и объектов относительно различных типов гидроакустических маяков – ответчиков в режиме с ультракороткой базой. Такими объектами могут быть автономные и буксируемые подводные аппараты, различные подводные научно – исследовательские приборы и станции, устройства и механизмы, обеспечивающие разведку и добычу полезных ископаемых.
 
ГАНС – УКБ может быть использована при проведении океанографических и геологических исследованиях, добыче полезных ископаемых и других видах подводных работ.
 

Состав, назначение составных частей ГАНС-УКБ и их основные характеристики.

 Комплект гидроакустических антенн для навигационной системы с ультракороткой базой.
Комплект гидроакустических антенн предназначен для работы в составе гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой (ГАНС-УКБ). Каждая из антенн комплекта используется для определения положения акустического маяка в определенном диапазоне дальностей относительно географических координат либо относительно корпуса судна-носителя. Основные диапазоны дальностей действия антенн – до 8000 м (аппараты типа «Мир», «Звук-6»), до 3000 м (аппараты типа Мезоскан-М) и до 500 м (мелководные аппараты типа «Гном», «Микросаунд»).   
 

Гидроакустические маяки-ответчики (подробнее)

 Гидроакустический маяк-ответчик ГМО-6000. Относительно ГМО-6000 определяется местоположение как буксируемых, так и автономных глубоководных подводных аппаратов, например таких как «Звук-6» и «Мир». ГМО-6000 может использоваться для привязки к географическим координатам различных подводных объектов.
 
Гидроакустический маяк-ответчик ГМО-2000. Относительно ГМО-2000 определяется местоположение буксируемых подводных аппаратов, например таких как «Мезоскан - М». ГМО-2000 может использоваться для привязки к географическим координатам и других подводных объектов.
 
Гидроакустический маяк-ответчик ГМО-200. Относительно ГМО-200 определяется местоположение буксируемых мелководных подводных аппаратов, например таких как «Микросаунд». ГМО-200 может использоваться для привязки к географическим координатам различных подводных объектов при глубинах не более 200 м.
 
Донный маяк-ответчик МО-Д предназначен для работы в составе ГАНС-УКБ. МО-Д устанавливается на дно и служит для определения относительно него местоположения подводных аппаратов и проведения контрольных измерений точности определения местоположения с помощью ГАНС-УКБ при натурных испытаниях и в процессе работы на полигоне.

Основные технические характеристики ГАНС-УКБ 

Наклонная дальность действия:
· при работе с глубоководными ПА типа «Звук-6», «МИР»– до 8000м;
· при работе с глубоководными ПА типа «Мезоскан-М» - до 3000м;
· при работе с мини ПА типа «Гном» - от 20 до 500 м.
 
Диапазон рабочих глубин гидроакустических маяков ответчиков:
· ГМО-6000 – до 6000 м.;
· ГМО-2000 – до 2000 м.;
· ГМО – 200 – до 200 м;
· МО-Д – до 6000 м.
 
Диапазон рабочих частот:
· (30-50) кГц для дальности связи до 500 м;
· (7-14) кГц для дальности связи до 8000м. 
 
Флуктуационная погрешность определения местоположения ПА, оборудованного гидроакустическим маяком-ответчиком, относительно места установки на НИС антенны космической навигационной системы GPS/DGPS:
· не более 0.5% от наклонной дальности при работе с ГМО-6000, ГМО-2000, МО-Д;
· не более 1% от наклонной дальности при работе с ГМО-200.
 
Используются следующие способы увеличения точности навигации:
· Пространственное разнесение приемников на максимальное технически допустимое расстояние.
· Пассивное формирование диаграммы направленности приемников. Диаграмма близка к равномерной в активном полупространстве, а боковые и тыльное направления заглушены специальными экранами.
· Оптимальная фильтрация принимаемых сигналов.

Выводы

Заявленную технологию акустических маяков сложно назвать революционной - аналогичные системы с меньшим радиусом действия уже применяются на флоте.  

Применение системы маяков в реальных боевых действиях возможна, но до тех пор пока в конфликт не вступят крупные державы обладающие надежным подводным флотом - умеющим находить и уничтожать источники акустических сигналов под водой также, как имеют возможность уничтожать спутники GPS.