Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Автоматизированная навигационно-измерительная система для подводных обитаемых аппаратов

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Автоматизированная навигационно-измерительная система для подводных обитаемых аппаратов"

. РОССИЙСКИ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи УДК 551.46.077:527

ШАЖОВ НИКОЛАИ ЛЕОНИДОВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ НАВИГАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОДВОДНЫХ ОБИТАЕМЫХ АППАРАТОВ

11.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соисканий ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

Научные руководители: доктор технических наук А.М.Сагалевич доктор технических наук, профессор Л.Л.Утяков

Официальные оппоненты: к.т.н. Н.А.Римский-Корсаков

д.т.н., профессор Л.С.Ситников

Ведущая организация - Акустический институт им. Н.Н.Андреева

в Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН по адресу: 117218, Москва, ул. Красикова, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

РАН

Защита диссертации состоится в _ часов на заседании Специализированного совета К 002.86.02

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат географических наук

С.Г.Панфилоьп

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акутальность теш. Появление надежных и мобильных подводных обитаемых аппаратов открыло практически новую эпоху в освоении океана. В настоящее время подводные обитаемые аппарата применяются при осмотре, ремонте, прокладке кабелей и трубопроводов, инспекции подводных морских сооружений, платформ, устьев скважин и бурового оборудования. Кроме подводно-технических работ подводными обитаемыми аппарата?® выполняются поисковые, аварийно-спасательные и

научно-исследовательские работы.

Точная навигационная привязка -подводного обитаемого аппарата (ПОА) является одним из важнейших факторов, обеспечивающих безопасность погружений. Определение местонахождения аппарата под водой и удержание его в постоянном поле зрения судна обеспечения осуществляется с помощью гидроакустических средств связи и навигации. Это в свою очередь способствует более эффективному выполнении научных задач, т.к. дает возможность с высокой точностью выводить аппарат в точку погружения и выдерживать намеченные подводные маршруты, корректируя их с борта судна обеспечения. Кроме того, хорошая навигационная привязка позволяет достаточно точно определить место всплытия, что сокращает до минимума время поиска аппарата на поверхности.

Цели и задачи работы. Целью настоящей работы явилась разработка навигационно-измерительной системы, наиболее полно удовлетворяющей потребностям проведения научных исследований с борта подводных обитаемых аппаратов. В-задачи работы входили:

- оценка существующих систем;

- выбор функциональной схемы гидроакустической навигационной системы.;

разработка методик работы с микропроцессорной навигационной системой.

В локальные задачи работа такие входили:

- построение единого функционального элемента системы;

- оптимизация структурной схемы транспондера;

"- выбор схемы интерфейсного соединения микро-ЭВМ и аналоговой части приемника акустических сигналов;

- минимизация энергопотребления автономной части системы.

Научная новизна. Разработан и изготовлен опытный экземпляр

гидроакустической навигационной системы. Проведены испытания в На и 12-ом рейсах нис "Академик Мстислав Келдыш" на борту подводного аппарата "Пайсис". Накопленный опыт и результаты работы послужили основой для проектирования навигационной системы подводных аппаратов "Мир", в выборе структурной схемы и интерфейсного соединения приемника с микро-ЭВМ.

'Разработанный и изготовленный микропроцессорный транспондер явился прототипом для создания трэнспондеров фирмой Hollmlng Electronics. В новых транспондерах . были применены более современные микропроцессорные БИСы, использовав ранее разработанную функциональную схему сопряжения с приемником сигналов, детектирования и активизации ЭВМ.

Разработанные методики работы с гидроакустической навигацией обеспечили бесперебойную и продуктивную работу подводных аппаратов "Пайсис" и "Мир". Встреча двух аппаратов на объекте, поиск и нахождение целей на дне, точные навигационные

измерения - все это является уникальными в мировой практике подводно-техническими экспериментами.

Практическое значение. Разработка конструкции и методик работы с микропроцессорной навигацией привела к успешному выполнению многих научных и технических задач ряда экспедиций АН СССР. Исследование советской затонувшей подводной лодки "Комсомолец" (18, 21 рейсы нис "Академик Мстислав Келдыш" ), исследование "черных курильщиков" (21-23 рейсы нис "Академик Мстислав Келдыш"), постановка донной телевизионной установки (22 рейс нис "Академик Мстислав Келдыш") и многое другое.

Апробация работы . и публикации. Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории научной эксплуатации обитаемых глубоководных аппаратов, на Всесоюзном совещании по техническим средствам изучения Мирового океана (Геленджик, 1985, 1987), на выставке работ "Фестиваль-85" (Москва, 1985), на конференции "Современные методы геологических исследований" (Калининград, 1987). Разработанный комплекс использовался на подводных аппаратах "Пайсис" в На и 12 рейсах нис "Академик Мстислав Келдыш".

По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит страниц

машинописного текста, в том числе рисунков и таблиц.

Список литературы состоит из наименований.

Автор выражает благодарность своим научным руководителям д.т.н. А.М.Сагалевичу и д.т.н., профессору Л.Л.Утякову за полезные обсуждения, а также В.Я.Серых за помощь в изготовлении опытных образцов транспондеров.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, кратко описаны подводные обитаемые аппараты и особенности их использования в океанологии.

Первая глава посвящена изучению гидроакустических навигационных систем.

Для ПОА наиболее универсальной является навигационная система-с длинной базисной линией. Она состоит из нескольких транепондеров, установленных на дно перед началом работ, и вычислительных устройств, расположенных на борту подводного аппарата и судна обеспечения. Бортовое устройство излучает кодовый сигнал, который принимается транспондерами, ретранслируется и принимается обратно бортовым устройством. По времени прохождения сигнала вычисляется расстояние от исходной точки до транепондеров. При неизменном положении транепондеров данный набор, чисел (или вектор) можно считать координатами, данной точки пространства. При наличии четырех и более транепондеров определение точки пространства является однозначным, на практике можно обойтись 2-3 транспондерами при наличии дополнительных данных: глубины погружения, вектора скорости аппарата и пр.

Координат подобного типа достаточно для повторного подхода в ту же точку, или встречи двух аппаратов,но недостаточно для работ, которые требуют определенных геометрических измерений на дне. Кроме того, обычно необходимо привязывать маршруты погружений к географическим координатам. Трудности перехода от произвольных координат к прямоугольной декартовой системе или же

географическим координатам, а также увеличение чувствительности и помехозащищенности для увеличения дальности приема, привели к усложнению конструкции транспондеров и бортовых устройств. Для повышения точности работы приходилось вводить ноше команды. Изготовление навигационных систем разными фирмами приводит к несовместимости работы разных систем и невозможности одновременной работы транспондеров с различными бортовыми устройствами. Все это привело к появлению микропроцессорных "интеллектуальных" транспондеров. В отличив от обычного транспондерз, в задачи которого входит отвечать только на определенный (т.е. однокомандный) сигнал (с целью определить расстояние от неизвестной точки до транспондера), микропроцессорный транспондер, принимая сигнал, рассматривает его как некоторую программу управления. Кроме того, вопросы совместимости привели к разработке еще более сложных, но адаптируемых под разные бортовые устройства транспондеров. В работе приведены таблицы различных фирм-изготовителей транспондеров с описанием особенностей каждой модели, приводится классификация всех систем по частотному диапазону рабочих сигналов.

Во второй главе рассматривается построение 'единого микропроцессорного модуля, выполняющего функции транспондера, бортового вычислительного устройства, а также аварийного навигационного устройства подводного аппарата.

В основе устройства лежит микропроцессорная ЭВМ, выполненная на базе микросхемы КР580ИК80. Особенностью конструкции данной ЭВМ является ключевой режим работы, который заключается в подаче напряжения питания на-ряд микросхем,- в том

«

числе и на микропроцессор, только на время, необходимое для произведения вычислений. Такой режим обеспечивает настолько малое потребление энергии, что позволяет использовать микро-ЭВМ в транспондерах с автономным питанием. Включение/выключение питания на микро-ЭВМ осуществляется аналогично работе системы прерываний обычных микропроцессорных ЭВМ, как, например, IBM-PC. Микросхема, хранящая вектор "прерываний" имеет постоянное невыключаемое питание, и ' ее. содержание анализируется при очередном включении питания и .начале работы микропроцессора и используется как кластер перехода к программе обработки. В начальных адресах хранится таблица векторов обработки включений микро-ЭВМ от сигналов различных устройств. Такие -сигналы могут выдать следующие устройства: гидроакустический приемник, таймер, часы, а также дополнительные исполнительные устройства, например, датчик затекания или интерфейс обмена типа RS232C. Как и сигналы прерывания, сигналы включения можно маскировать. Кроме того, в отличие от прерываний имеется сигнал принудительного выключения питания, введенный для защиты от сбоев аппаратуры и ошибок в математическом обеспечении.

Гидроакустический приемник является обычным многополосным усилителем, каждый канал которого оканчивается детектором и триггером Шлидта. Сигналы с триггеров управляют включением ЭВМ. Рассматриваются две возможные системы кодирования акустических команд.

Одночастотная система - когда включение микро-ЭВМ для обработки сигнала осуществляется только одним частотным каналом. При этом любая команда для транспондера должна начинаться именно с этой частоты. Этот принцип заложен в последнюю версию

транспондеров подводных аппаратов "Мир" как наиболее помехоустойчивый.

Многочастотная система кодирования - когда включение питания микро-ЭВМ осуществляется от любого канала приемника. Такой системой были обеспечены экспериментальные микропроцессорные транспондеры на ПА "Пайсис" и предпоследняя версия транспондеров ПА "Мир".

В обоих случаях различные команды подаются путем комбинации частот. Выли проделаны эксперименты по изучению влияния длительности импульсов и интервалов меадг ними на. надежность шшхчщишиий иришшш. Наиболее оптимальными оказались длительность импульса около 10 мсек и паузы 80-100 мсек. Для защиты от импульсных шумов был выбран интегрирующий детектор. Таким образом, микро-ЭВМ не включалась для анализа (и не расходовала энергоресурс) при приеме коротких импульсов (<10 мсек). Как показали исследования, при работе аппаратуры подводного аппарата имеется много шумов импульсного характера с достаточно широким .спектром. При наличии "длительного" шума микро-ЭВМ с целью экономии энергии блокировала приемник на определенное время, после которого, анализируя ситуацию, могла увеличивать заданное время. Это устраняло ложные срабатывания транспондера, установленного на борту подводного аппарата, даже при работе мощных гидравлических приводов.

Акустический излучатель представляет собой . усилитель, работающий в ключевом режиме и нагруженный * .на пьезокристаллическую приемо-передающую антенну. Микропроцессор модет контролировать излуча'ёмую мощность сигнала, варьируя, например, напряжением входного каскада. Однако это пока не было

реализовано ни в макетном варианте, ни впоследствии. Частота излучения сигнала, длительности импульсов и интервалы между ниш задаются программно.

Дополнительно могут быть установлены следующие устройства: размыкатель троса, интерфейс Е3232С, аналого-цифровой или цифро-аналоговый преобразователь, измеритель частоты. Транспондер может снабжаться энергонезависимым накопителем информации, интерфейсом типа тросовой врезки, модемом и т.п.

Электронная часть системы'построена таким образом, чтобы обеспечить возможность адаптация транспондера к различным навигационным системам. Адаптация осуществляется

перепрограммированием ГШЗУ микропроцессорной ЭВМ, где кодируется матрица входных сигналов и ответных реакций. Другую часть ППЗУ составляет монитор системы. При подключении сигнала к интерфейсу 113232 транспондер может выдавать информацию на персональную ЭВМ, т.о. исполняя роль интеллектуальной акустической системы.

Микропроцессор обеспечивает дополнительную надежность ■ системы, осуществляя полный контроль функционирования при начальном включении питания, а также частичный контроль во время работы устройства. Это осуществляется включением в программу монитора ряда проверочных тестов, работающих в режиме реального времени.

Недостатком системы является использование фиксированных полосовых фильтров и, следовательно, необходимость их перестройки при переходе на новую сетку частот. Применение недавно разработанных электронных фильтров ка переключаемых конденсаторах, выполненных по КМОП технологии, могло бн устранить эти недостатки.

ю

Третья глава посвящена описанию разработанных методик работы с микропроцессорной навигационной системой. Методика включает подготовку транспондеров к постановке: выбор веса якоря, длины фала, количества транспондеров и места их постановок. Производится сравнение различных способов установки транспондеров: свободное падание, установка опусканием на тросе, водолазами или подводным аппаратом, а такие различные виды установки транспондера на плавающий буй, на дно, на донную станцию. Предлагаются различные методы определения точной глубины постановки транспондеров: по эхолоту судна обеспечения, по графику наклонных дальностей, непосредственным измерением давления.

Основной подготовительной работой после постановки транспондеров является калибровка полигона, которая заключается в переходе от дальномерной системы координат к какой-либо более удобной системе координат: прямоугольной .декартовой, географической и т.п. Калибровка заключается в наборе множества наклонных дальностей до транспондеров с одновременным накоплением координат судна по спутниковой системе навигации или же только накопление массива наклонных дальностей с целью определения базисных линий между транспондерами. Наиболее перспективной является работа со спутниковой навигацией МУБТАТ*. Поскольку калибровка обычно занимает много времени, разработана методика итерационной калибровки, которая позволяет начать погружения ПОА в полигоне с большими погрешностями навигационной привязки и, постепенно накапливая новые и новые данные, уточнять положения транспондеров.

В Заключении описываются результаты работы ПОА "Мир",

которые были невозможны без применения таких навигационных систем. Это, превде всего, встреча двух аппаратов на объекте - в На рейсе нис "Академик Мстислав Келдыш" впервые, после этого такие встречи и совместные работы стали рядовыми. ■ В последующих экспедициях на гидротермальные источники,, подводную лодку "Комсомолец", затонувшее судно "Титаник" практически всегда производились совместные работы двумя аппаратами: встречи, параллельные проходы, измерения расстояний и пр. Производились многократные подхода в одну и ту же точку как одним, так и двумя аппаратами в разное и в одно и то же время. Производилась установка донной телевизионной станции (без дополнительной навигационной аппаратуры) и снятие ее через неделю. Также производились подводные работы по картированию участка дна. Разрабатываются дополнительные методики работы с буксируемыми подводными аппаратами. Вторым важным экспериментом явилась работа по установке и снятию через . неделю донной станции в Монтервйском баливе, причем установка и снятие проводились разными подводными аппаратами "Мир" и различными экипажами.

Основные результаты диссертации

•I. Исследованы тенденции развития систем навигации ПОА.

2. Спроектированы и изготовлены опытные образцы адаптивных микропроцессорных транспондеров.

3. Отработана методика работы с гидроакустической длиннобазовой навигационной системой с борта ПОА.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. А.Г.Благодерев, Е.С.Черняев, Н.Л.Шашков. Измерительный комплекс для обитаемых подводных аппаратов на основе микро-ЭВМ. Тезисы доклада П Всесоюзного съезда океанологов, Ялта, 1982.

2. И.П.Дербиков, А.Г.Благодарев, Н.Л.Шашков. Система "запрос-ответ" для обитаемых подводных аппаратов. Тезисы доклада Ш Всесоюзного совещания по проблемам изучения Мирового океана, Геленджик, 1982.

3. А.М.Сагалевич, А.Г.Благодарев, Н.Л.Шашков. Система сбора данных для подводных аппаратов на базе ЭВМ "Электроника-вО". Труда Всесоюзного совещания по океанологической технике., Геленджик, 1983.

4. А.Г.Благодарев, А.В.Молодыка, Н.Л.Шашков. Океанологические исследования подводными обитаемыми аппаратами. Выставка работ "Фестиваль-85". М., ВДНХ СССР, 1983.

5. Д.Е.Охоцинский, А.К.Платков, В.Е.Прянишников, А.М.'Сагалевич, Н.Л.Шашков. Программно-аппаратная система навигации подводных аппаратов "Пайсис" на нис "Академик Мстислав Келдыш". Препнинт ИПМ АН СССР, 1984.

6. А.М.Сагалевич, А.М.Подражанский, Н.Л.Шашков. Аппаратура и методика навигационной привязки подводных аппаратов "Пайсис-УП" и "Пайсис-Х1" в 4-ом рейсе нис "Академик Мстислав Келдыш". Издательство ВИЗМС, М., 1985.

7. Н.Л.Шашков. Микропроцессорный навигационный комплекс для подводных обитаемых аппаратов. Всесоюзное совещание по техническим средствам изучения Мирового океана, Геленджик, 1935.

8. В.Я.Серых, Н.Л.Шашков. Микропроцессорный навигационный комплекс для подводных обитаемых, аппаратов. Выставка работ

"Фестиваль-85", M., ВДНХ СССР, 1985.

9. В.Е.Прянишников, А.М.Сагалевич, Н.Л.Шашков, И.В.Ящкичев, И.Г.Ладынин. Триангуляционные алгоритмы для подводной навигации и их реализация на нис "Академик Мстислав Келдыш". Препринт ИПМ, M., 1984.

10. Н.Л.Шашков. Микропроцессорная система сбора данные ПОА. Отчет 9-го рейса нис "Академик Мстислав Келдыш", 1987.

11. Н.Л.Шашков. Микропроцессорный маяк. Отчет 9-го рейса нис "Академик Мстислав Келдыш", 1987.

12. Н.Л.Шашков. Особенности навигационной привязки подводных обитаемых аппаратов при исследовании объектов типа гидротермальных источников. Тезисы доклада, "Современные методы геологических исследований", Калининград, 1987.

13. Н.Я.Шашков. Требования к конструкции нашгационно-измерительных систем подводных обитаемых аппаратов для исследования гидротермальных высокотемпературных источников. Тезисы доклада, "Современные метода геологических исследований", Калининград, 1387.

14. Solovyev S.A., Utyakov L.L., Shashkov N.I. Application of hyâroacoustlc navigation system dynamic positioning of nolsea vessel. Труды XXVI Тихоокеанского конгресса, 1987.

Усл.печ.л. 1,0. Подписано к печати 17.03.1992 г.

60x90 /16 Тира* 100. Зак.1Г 15.

Институт океанологии им.П.П.Ширшова Академии наук СССР Москва, ул.Красикова, дон 23.