Подводная акустическая система позиционирования [1] [2] — это система для отслеживания и навигации подводных аппаратов или водолазов посредством акустических измерений расстояния и/или направления и последующей триангуляции положения. Подводные акустические системы позиционирования обычно используются в самых разных подводных работах, включая разведку нефти и газа, океанологию , спасательные операции, морскую археологию , правоохранительные органы и военную деятельность.
На рисунке 1 показан общий метод работы акустической системы позиционирования [3] , это пример системы позиционирования с длинной базой (LBL) для ROV.
Системы акустического позиционирования измеряют позиции относительно каркаса базовых станций, которые должны быть развернуты до начала операций. В случае системы с длинной базой (LBL) набор из трех или более базовых транспондеров развертывается на морском дне. Затем необходимо точно измерить местоположение базовых транспондеров либо относительно друг друга, либо в глобальных координатах . Некоторые системы помогают в этой задаче с помощью автоматизированного акустического самообследования, а в других случаях GPS используется для установления положения каждого базового транспондера по мере его развертывания или после развертывания.
После развертывания базовой линии и обследования акустическая система позиционирования готова к работе. В примере с длинной базовой линией (см. рисунок 1) на ROV, который необходимо отслеживать, устанавливается запросчик (A). Запросчик передает акустический сигнал, который принимается базовыми транспондерами (B, C, D, E). Ответ базовых транспондеров снова принимается на ROV. Время пролета сигнала или соответствующие расстояния AB, AC, AD и AE передаются через шлангокабель ROV (F) на поверхность, где вычисляется положение ROV и отображается на экране отслеживания. Измерения акустического расстояния могут быть дополнены данными датчика глубины для получения более высокой точности позиционирования в трехмерном подводном пространстве.
Акустические системы позиционирования могут обеспечивать точность от нескольких сантиметров до десятков метров и могут использоваться на расстоянии от десятков метров до десятков километров. Производительность сильно зависит от типа и модели системы позиционирования, ее конфигурации для конкретной работы и характеристик подводной акустической среды на рабочем месте.
Подводные акустические системы позиционирования обычно подразделяются на три основных типа или класса [4] [5] [6]
Системы с длинной базой (LBL) , как на рисунке 1 выше, используют сеть транспондеров базовой линии морского дна. Транспондеры обычно устанавливаются в углах рабочего участка. Системы LBL обеспечивают очень высокую точность, как правило, лучше 1 м, а иногда и 0,01 м, вместе с очень надежными позициями [7] [8] Это связано с тем, что транспондеры устанавливаются в системе отсчета самого рабочего участка (т. е. на морском дне), большое расстояние между транспондерами приводит к идеальной геометрии для вычисления положения, а система LBL работает без акустического пути к (потенциально удаленной) поверхности моря.
Системы с ультракороткой базой (USBL) и связанные с ними системы с суперкороткой базой (SSBL) полагаются на небольшую (например, 230 мм в поперечнике), плотно интегрированную решетку преобразователей, которая обычно устанавливается на нижнем конце прочной жесткой стойки преобразователя, которая устанавливается либо сбоку, либо в некоторых случаях на дне надводного судна. [9] [10] В отличие от систем LBL и SBL, которые определяют положение путем измерения нескольких расстояний, решетка преобразователей USBL используется для измерения расстояния цели от стойки преобразователя с использованием времени прохождения сигнала, а направление цели — путем измерения фазового сдвига ответного сигнала, как это видно отдельным элементам решетки преобразователя. Сочетание расстояния и направления фиксирует положение отслеживаемой цели относительно надводного судна. Затем дополнительные датчики, включая GPS, гироскоп или электронный компас и вертикальный опорный блок, используются для компенсации изменяющегося положения и ориентации (тангажа, крена, пеленга) надводного судна и его стойки преобразователя. Системы USBL предлагают преимущество, заключающееся в том, что не требуют решетки транспондеров морского дна. Недостатком является то, что точность и надежность позиционирования не так хороши, как у систем LBL. Причина в том, что фиксированный угол, определяемый системой USBL, приводит к большей ошибке позиционирования на большем расстоянии. Кроме того, несколько датчиков, необходимых для компенсации положения полюса преобразователя USBL и ориентации, вносят дополнительные ошибки. Наконец, неоднородность подводной акустической среды вызывает преломления и отражения сигнала, которые оказывают большее влияние на позиционирование USBL, чем в случае геометрии LBL.
Системы с короткой базой (SBL) используют базовую линию, состоящую из трех или более отдельных гидроакустических преобразователей, которые соединены проводом с центральным блоком управления. Точность зависит от расстояния между преобразователями и способа монтажа. При использовании более широкого расстояния, как при работе с большой рабочей баржи или при работе с дока или другой фиксированной платформы, производительность может быть аналогична системам LBL. При работе с небольшой лодки, где расстояние между преобразователями узкое, точность снижается. Как и системы USBL, системы SBL часто устанавливаются на лодках и кораблях, но также распространены специализированные режимы развертывания. Например, Океанографический институт Вудс-Хоул использует систему SBL для позиционирования глубоководного ROV Jason относительно связанного с ним депрессорного груза MEDEA с заявленной точностью 9 см [11]
Системы интеллектуальных буев GPS (GIB) представляют собой инвертированные устройства LBL, в которых преобразователи заменены плавающими буями, которые автоматически позиционируются с помощью GPS. Отслеживаемое положение рассчитывается в реальном времени на поверхности из времени прибытия (TOA) акустических сигналов, посылаемых подводным устройством и получаемых буями. Такая конфигурация обеспечивает быстрое развертывание без калибровки с точностью, аналогичной системам LBL. В отличие от систем LBL, SBL или USBL, системы GIB используют односторонние акустические сигналы от излучателя к буям, что делает их менее чувствительными к отражениям от поверхности или стен. Системы GIB используются для отслеживания AUV, торпед или водолазов, могут использоваться для локализации черных ящиков самолетов и могут использоваться для определения координат удара инертного или боевого оружия для испытаний оружия и учебных целей [12] [13] [14] ссылки: Шарм-эль-Шейх, 2004; Сочи, 2006; Кайерс, 2005; Кайзер, 2006; Кардоза, 2006 и другие...). [ необходимо разъяснение ]
Раннее использование подводных акустических систем позиционирования, приписываемое началу современного развития этих систем, [15] было связано с потерей американской атомной подводной лодки USS Thresher 10 апреля 1963 года на глубине воды 2560 м. [16] Акустическая система позиционирования с короткой базовой линией (SBL) была установлена на океанографическом судне USNS Mizar . Эта система использовалась для направления батискафа Trieste 1 к месту крушения. Тем не менее, состояние технологии было все еще настолько плохим, что из десяти поисковых погружений Trieste 1 визуальный контакт с обломками был установлен только один раз. [17] Акустическое позиционирование снова использовалось в 1966 году для помощи в поиске и последующем извлечении ядерной бомбы, потерянной во время крушения бомбардировщика B-52 в море у берегов Испании.
В 1970-х годах разведка нефти и газа в более глубоких водах потребовала повышения точности подводного позиционирования для размещения бурильных колонн в точном положении, определенном ранее с помощью сейсмической аппаратуры [18] , а также для выполнения других задач подводного строительства.
Но эта технология также начала использоваться в других приложениях. В 1998 году спасатель Пол Тидвелл и его компания Cape Verde Explorations возглавили экспедицию к месту крушения японской грузовой подводной лодки времен Второй мировой войны I-52 в средней части Атлантики. [19] Находясь на глубине 5240 метров, она была обнаружена, а затем идентифицирована с помощью гидролокатора бокового обзора и подводного буксирного саней в 1995 году. Записи военного времени указывали, что I-52 направлялась в Германию с грузом, включающим 146 золотых слитков в 49 металлических ящиках. На этот раз компания г-на Тидвелла наняла российское океанографическое судно «Академик Мстислав Келдыш» с его двумя пилотируемыми глубоководными подводными аппаратами МИР-1 и МИР-2 (рисунок 3). Чтобы облегчить точную навигацию по полю обломков и обеспечить тщательный поиск, МИР-1 развернул сеть транспондеров с длинной базовой линией при первом погружении. В течение серии из семи погружений каждого подводного аппарата поле обломков постепенно обыскивалось. Запись позиционирования LBL показывала расширяющийся охват поиска после каждого погружения, что позволяло команде сосредоточиться на еще не исследованных областях во время следующего погружения. Золото не было найдено, но система позиционирования задокументировала масштаб поиска.
В последние годы появилось несколько тенденций в подводном акустическом позиционировании. Одна из них — внедрение составных систем, таких как комбинация LBL и USBL в так называемой конфигурации LUSBL [20] для повышения производительности. Эти системы обычно используются в секторе добычи нефти и газа на шельфе и других высокотехнологичных приложениях. Другая тенденция — внедрение компактных, оптимизированных для решения задач систем для различных специализированных целей. Например, Департамент рыболовства и дичи Калифорнии заказал систему (рисунок 4), которая непрерывно измеряет площадь раскрытия и геометрию сети для отбора проб рыбы во время траления. Эта информация помогает департаменту повысить точность оценки рыбных запасов в дельте реки Сакраменто .
Были представлены водонепроницаемые смарт-устройства, такие как Apple Watch Ultra и Garmin Descent, которые могут функционировать как дайв-компьютеры . Эти устройства оснащены датчиком глубины , предоставляют профиль погружения и оповещения о безопасности для быстрых всплытий и обязательных остановок безопасности с использованием данных о глубине. В 2023 году исследователи Вашингтонского университета продемонстрировали четвертый класс трехмерного подводного позиционирования для этих смарт-устройств, который не требует поддержки инфраструктуры, такой как буи. [21] Вместо этого они используют распределенные методы локализации [22] , вычисляя попарные расстояния между сетью устройств для дайвинга, чтобы определить форму результирующей топологии сети. Объединяя это с данными датчиков глубины с этих устройств, ведущий дайвер может затем вычислить относительные трехмерные положения всех других устройств для дайвинга.