ПРИБОР АВТОНОМНОЙ НАВИГАЦИИ ВОДОЛАЗА

Полезная модель относится к средствам подводной навигации и предназначена для навигации, точного позиционирования и перемещения водолаза при проведении подводных исследований или свободном плавании под водой и представляет собой переносное устройство.
Известна система подводной навигации для водолаза (RU 97539 U1, МПК G01S 5/24, 2010), включающая навигационную систему, состоящую из сети плавающих маяков, оборудованных приемниками спутниковой навигационной системы и гидроакустическими передатчиками, и блока водолаза с гидроакустическим приемником. Плавающие маяки устанавливаются на поверхность воды и обеспечивают передачу координат своего местоположения по гидроакустическому каналу на блок водолаза. Блок водолаза на основании принятых сигналов от плавающих маяков осуществляет вычисление и отображение текущих координат местоположения водолаза.
Недостатками данной системы являются: низкая точность определения координат, наличие плавающих маяков на поверхности воды, ограничение применения блока водолаза районом размещения маяков, отображение на мониторе блока водолаза только информации о координатах, направлении и расстоянии до выбранного маяка.
Известна система подводной навигации для водолазов и подводный блок водолаза (RU 110503 U1, МПК G01S 15/06, 2011), принятая за прототип. Система подводной навигации включает обеспечивающее судно с внешней навигационной аппаратурой, маяк-ответчик и гидроакустический приемопередатчик. Подводный блок водолаза содержит бесплатформенную инерциальную навигационную систему (вычислитель, датчики курса, крена и дифферента), доплеровский гидроакустический лаг, датчик давления, гидроакустический приемопередатчик и модуль отображения информации.
Недостатками данного прототипа являются: наличие обеспечивающего судна; определение координат водолаза по информации, получаемой от доплеровского гидроакустического лага, бесплатформенной инерциальной навигационной системы и данным внешней навигационной системы, передаваемым с обеспечивающего судна по гидроакустическому каналу на подводный блок водолаза; ограничение применения подводного блока водолаза районом действия обеспечивающего судна и дальностью распространения гидроакустических волн, определяемой текущими гидрологическими условиями; применение многочисленных разнотипных технических средств на обеспечивающем судне и водолазе, что требует решения задач энергообеспечения, размещения аппаратуры и совместимости разнородных приемопередающих средств.
Задачей полезной модели является устранение недостатков, присущих выбранному аналогу и прототипу, а также улучшение эксплуатационных характеристик.
Указанный технический результат достигается прибором автономной навигации водолаза, который содержит блок навигации, включая приемник спутниковой навигационной системы и размещенные в герметичном корпусе бесплатформенную инерциальную навигационную систему, датчик давления, доплеровский гидроакустический лаг и модуль отображения информации, а также соединенный с корпусом аккумуляторный блок, в котором согласно полезной модели бесплатформенная инерциальная навигационная система включает плату микроэлектромеханических инерциальных датчиков, на которой размещены трехосевые датчики гироскопа, акселерометра и магнитометра, доплеровский гидроакустический лаг выполнен по четырехлучевой схеме с углом отклонения от вертикали на 30° и углом поворота на 45° от направления движения, при этом приемник спутниковой навигационной системы размещен на наружной поверхности корпуса, в буе, причем в качестве приемника спутниковой навигационной системы используется приемник GPS/ГЛОНАСС; корпус выполнен с герметичным разъемом USB-входа для загрузки морских карт района проведения подводных исследований или плавания.
Указанная совокупность признаков полезной модели позволит повысить точность позиционирования и навигации водолаза под водой в реальном времени и любых условиях применения, расширит функциональные возможности, включая возможность навигации по контрольным точкам маршрута с использованием электронных морских карт и их корректировки в любой момент времени с учетом текущей траектории движения водолаза без применения навигационного оборудования, расположенного на обеспечивающем судне или плавающего на поверхности воды.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 - структурно-функциональная схема прибора автономной навигации водолаза;
на фиг. 2 - вид прибора автономной навигации водолаза со стороны передней панели;
на фиг. 3 - вид прибора автономной навигации водолаза со стороны задней панели.
На чертежах обозначены:
1 - герметичный корпус;
2 - блок навигации;
3 - бесплатформенная инерциальная навигационная система;
4 - вычислитель навигационной системы;
5 - плата микроэлектромеханических инерциальных датчиков;
6 - датчик гироскопа;
7 - датчик акселерометра;
8 - датчик магнитометра;
9 - датчик давления;
10 - приемник спутниковой навигационной системы GPS/TJIOHACC;
11 - доплеровский гидроакустический лаг;
12 - вычислитель доплеровского гидроакустического лага;
13 - плата коммутации;
14 - гидроакустические пъезоизлучатели;
15 - модуль отображения информации;
16 - вычислитель отображения информации;
17 - жидкокристаллический экран;
18 - модуль электропитания;
19 - вычислитель электропитания;
20 - герметичный разъем для подключения аккумуляторного блока;
21 - аккумуляторный блок;
22 - аккумуляторная батарея;
23 - контроллер аккумуляторной батареи;
24 - герметичный разъем для подключения блока навигации или зарядного устройства;
25 - зарядное устройство;
26 - кнопки управления;
27 - ручки для фиксации рук водолаза;
28 - держатели;
29 - соединительный кабель;
30 - буй;
31 - герметичный разъем USB-входа;
32 - передняя панель;
33 - задняя панель.
Прибор автономной навигации водолаза (фиг. 1, 2, 3) содержит блок навигации 2 (фиг. 1, 2), включая размещенные в герметичном корпусе 1 (фиг. 2) бесплатформенную инерциальную навигационную систему 3 (фиг. 1), датчик давления 9 (фиг. 1), доплеровский гидроакустический лаг 11 (фиг. 1), модуль отображения информации 15 (фиг. 1), размещенный на наружной поверхности корпуса 1 (фиг. 2), в буе 30 (фиг. 2, 3), приемник спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10 (фиг. 1) и соединенный с корпусом 1 (фиг. 2) аккумуляторный блок 21 (фиг. 1, 2, 3).
Бесплатформенная инерциальная навигационная система 3 (фиг. 1) создана на основе вычислителя навигационной системы 4 (фиг. 1) и платы микроэлектромеханических инерциальных датчиков 5 (фиг. 1), на которой размещены трехосевые датчики гироскопа 6 (фиг. 1), акселерометра 7 (фиг. 1) и магнитометра 8 (фиг. 1). Доплеровский гидроакустический лаг 11 (фиг. 1) разработан на основе вычислителя доплеровского гидроакустического лага 12 (фиг. 1), платы коммутации 13 (фиг. 1) и гидроакустических пъезоизлучателей 14 (фиг. 1, 3). Доплеровский гидроакустический лаг 11 выполнен по четырехлучевой схеме с углом отклонения от вертикали на 30° и углом поворота на 45° от направления движения. Блок навигации 2 (фиг. 1, 2) также содержит: модуль отображения информации 15 (фиг. 1), созданный на основе вычислителя отображения информации 16 (фиг. 1) и жидкокристаллического экрана 17 (фиг. 1, 2); модуль электропитания 18 (фиг. 1), включающий вычислитель электропитания 19 (фиг. 1) и герметичный разъем 20 (фиг. 1, 3), обеспечивающий подключение аккумуляторного блока 21 (фиг. 1,2,3) через герметичный разъем 24 (фиг. 1, 3) и состоящего из аккумуляторной батареи 22 (фиг. 1) и контроллера аккумуляторной батареи 23 (фиг. 1); при этом зарядка аккумуляторной батареи 22 (фиг. 1) осуществляется от зарядного устройства 25 (фиг. 1) через герметичный разъем 24 (фиг. 1, 3).
С наружной стороны корпуса 1 (фиг. 2) размещены: кнопки управления 26 (фиг. 2), ручки 27 (фиг. 2, 3) для фиксации рук водолаза, держатели 28 (фиг. 2, 3) соединительного кабеля 29 (фиг. 2, 3), буй 30 (фиг. 2, 3) с размещенным в нем приемником спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10 (фиг. 1), герметичный разъем USB-входа 31 (фиг. 3) и фиксирующие защелки (позиция на чертеже не представлена) для присоединения аккумуляторного блока 21 (фиг. 1, 2, 3), а также включает переднюю 32 (фиг. 2) и заднюю 33 (фиг. 3) панели. На передней панели 32 (фиг. 2) размещен жидкокристаллический экран 17 (фиг. 1, 2). На заднюю панель 33 (фиг. 3) выходят гидроакустические пъезоизлучатели 14 (фиг. 1, 3) и датчик давления 9 (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
В районе проведения подводных исследований или плавания прибор автономной навигации водолаза извлекается из транспортного контейнера и осуществляется стыковка блока навигации 2 с аккумуляторным блоком 21 с помощью фиксирующих защелок (позиция на чертеже не представлена) и подключение питания через герметичные разъемы 20 и 24. Нажатием кнопок управления 26 производится включение прибора автономной навигации водолаза и проверяется уровень заряда аккумуляторной батареи 22. Если уровень заряда аккумуляторной батареи 22 меньше допустимого, осуществляется ее зарядка с помощью зарядного устройства 25 путем его подключения через герметичный разъем 24, при этом контроллер аккумуляторной батареи 23 обеспечивает защиту аккумуляторной батареи 22 от перезаряда. Через герметичный разъем USB-входа 31 производится загрузка морской карты района проведения подводных исследований или плавания. Прибор автономной навигации водолаза переводится в режим «Калибровка», и водолаз осуществляет калибровку бесплатформенной инерциальной навигационной системы 3. По окончании калибровки на жидкокристаллическом экране 17 отображается информация об успешной калибровке и готовности к работе. Прибор автономной навигации водолаза переводится в пользовательский режим работы. С использованием приемника спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10 производится определение географических координат водолаза в точке спуска (или начала движения), при этом на жидкокристаллическом экране 17 отображаются координаты и число видимых спутников спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС. Географические координаты начальной точки спуска (движения) также могут быть введены в прибор автономной навигации водолаза с помощью кнопок управления 26.
Работа прибора автономной навигации водолаза обеспечивается в двух режимах:
1. «Произвольная навигация»;
2. «Навигация по контрольным точкам».
В режиме «Произвольная навигация» на жидкокристаллическом экране 17 отображаются навигационные данные в реальном масштабе времени с указанием географических координат водолаза, скорости его движения, углов ориентации, глубины, расстояния до дна, температуры воды, заряда аккумуляторной батареи 22, даты и времени. С целью возможной правки географических координат в промежуточной точке маршрута, без выхода водолаза на поверхность воды, осуществляется выпуск буя 30 с размещенным в нем приемником спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10 путем разматывания соединительного кабеля 29 и последующим его наматыванием на держатели 28. Приемник спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10 обеспечивает выдачу корректирующей информации о координатах водолаза на вычислитель навигационной системы 4.
В режиме «Навигация по контрольным точкам» с помощью кнопок управления 26 и информации, выводимой на жидкокристаллическом экране 17, обеспечивается ввод координат контрольных точек маршрута с привязкой их к району проведения исследований или плавания на морской карте, при этом в данном режиме также возможно осуществлять корректировку, добавление и удаление координат контрольных точек. При движении водолаза по контрольным точкам маршрута, на жидкокристаллическом экране 17 отображается морская карта района выполнения исследований или плавания, контрольные точки, расстояние до выбранной контрольной точки, географические координаты, текущая скорость и угол наклона прибора автономной навигации водолаза. При достижении выбранной контрольной точки, при движении по маршруту, водолаз, при необходимости осуществляет смену целеуказания и переключает прибор автономной навигации водолаза на другую контрольную точку. С целью возможной правки географических координат в промежуточной точке маршрута, без выхода водолаза на поверхность воды, осуществляется выпуск буя 30 с размещенным в нем приемником спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10 путем разматывания соединительного кабеля 29 и последующим его наматыванием на держатели 28. Приемник спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10 обеспечивает выдачу корректирующей информации о координатах водолаза на вычислитель навигационной системы 4.
Управление режимами работы осуществляется простыми нажатиями кнопок управления 26, расположенными на корпусе 1. Режимы работы прибора автономной навигации водолаза устанавливаются перед проведением погружения водолаза, исходя из планируемых задач. В процессе погружения водолаз имеет возможность корректировать режимы работы прибора с помощью кнопок управления 26 на основании пользовательского меню, отображаемого на жидкокристаллическом экране 17.
Сопряжение всех устройств и датчиков, а также управление режимами работы обеспечивается программной частью прибора автономной навигации водолаза.
Вычисление текущих координат осуществляется вычислителем навигационной системы 4 на основании данных, получаемых от доплеровского гидроакустического лага 11, датчика давления 9 и датчиков гироскопа 6, акселерометра 7 и магнитометра 8, а также производится их корректировка на основании информации, поступающей от приемника спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС 10.
Счисление пути производится по данным, получаемым от бесплатформенной инерциальной навигационной системы 3, которая дает информацию по углам курса, дифферента, крена, скорости движения и географических координатах объекта, комплексируемых с данными доплеровского гидроакустического лага 11, который выдает информацию по скорости, направлению движения, расстоянию, пройденному водолазом за определенный промежуток времени, и расстоянию до дна, и датчика давления 9, представляющего данные о глубине погружения. Применение данных устройств в составе прибора автономной навигации водолаза для получения навигационных параметров движения позволяет с высокой точностью определять угловое положение водолаза, при этом требуется минимум внешней информации.
Доплеровский гидроакустический лаг 11, выполненный по четырехлучевой схеме с углом отклонения от вертикали на 30° и углом поворота на 45° от направления движения, позволяет повысить точность определения величины и направление вектора скорости. В режиме реального времени гидроакустические пьезоизлучатели 14 доплеровского гидроакустического лага 11 излучают зондирующие импульсы, и по разнице частот излученного и отраженного сигнала осуществляется расчет скорости движения, направление движения и расстояние до дна.
Таким образом, данный прибор позволяет вычислять и отображать траекторию движения, текущие навигационные данные водолаза в реальном масштабе времени с привязкой к электронным морским картам, с указанием географических координат, скорости движения, углов ориентации, глубины погружения, расстояния до дна, состояния заряда аккумуляторной батареи 22, а также даты и времени.