АВТОНОМНАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств гидрофизических исследований и может быть использовано, например, при реализации систем экологического мониторинга, а также систем сбора стандартной гидрофизической информации.
При проведении экологического мониторинга широко используются различные средства гидрофизического наблюдения, в том числе автономные гидрофизические станции.
Основные принципы построения автономных станции ориентированные для работы на больших глубинах приведены в [Коновалов С.Л. Использование автономных донных станции в качестве универсального носителя измерительной аппаратуры., изд-во ГП «ВНИФТРИ», 2000, с.135-139.]. Автономные гидрофизические станции, ориентированные для работы на больших глубинах, как правило, представляют собой прочный корпус-носитель аппаратуры, рассчитанный на определенное гидростатическое давление и соответственно предельную рабочую глубину. Внутри корпуса располагается электронная аппаратура, источники электропитания и измерительные преобразователи. Измерительные преобразователи могут также располагаться в выносных системах, при этом связь с аппаратурой осуществляется через кабельные гермовводы. Полностью укомплектованная автономная станция должна иметь положительную плавучесть, а погружение осуществляется за счет теряемого балластного груза, закрепляемого к управляемому размыкателю балласта. Автономная гидрофизическая станция, принятая в качестве прототипа, оснащена датчиками температуры, давления, электрической проводимости и скорости распространения звука, многоканальной (16-канальной) цифровой системой регистрации и накопления информации, телеметрической гидроакустической системой связи, системой поиска станции на поверхности моря, системой освобождения от балласта, устройством программного управления режимами работы.
Недостатком прототипа является отсутствие системы аварийного всплытия, отсутствие дублирующих систем исполнительного механизма системы освобождения от балласта.
Предлагаемая полезная модель автономной гидрофизической станции (АГС) предназначена для измерения и регистрации в придонном слое в автономном режиме (реальная предельная глубина определяется наименьшей рабочей глубиной из применяемых гидрофизических и экологических датчиков) и на этапах погружения и всплытия станции, гидрофизической информации на цифровые накопители. Установка АГС на дно обеспечивается свободным погружением с помощью балласта на гайдропе и всплытие на поверхность за счет положительной плавучести прочного несущего корпуса при отделении балласта. АГС состоит из аппаратурного модуля, системой определения местоположения АГС и передачи оперативной информации на поверхности моря, системой освобождения от балласта, гидроакустической командной системой и системой регистрации, предварительной обработки и накопления гидрофизической информации, различными гидрофизическими датчиками.
Сущность предлагаемой полезной модели АГС заключается в конструктивной реализации известных принципов построения автономных станции.
Автономная гидрофизическая станция представляет собой (фиг.1): носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух сферических полусфер, изготовленных из алюминиевых сплавов, стянутых болтами 18 на фланцах 17, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных кольца 16. Внутри НА 1 установлены: на верхней полусфере блок гидроакустический (БГА) 5, блок определения ориентации 4-1 и наклона 4-2 (ООН), бортовой вычислительный узел (БВУ) 2, устанавливаемый с помощью приборного кольца 19; на нижней полусфере источник электропитания 3, датчик герметичности 20, прибор срочности (ПС) 9 и размыкатель 6 (исполнительная часть с дублирующим механизмом вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке установлены ресивер высокочастотный (приемопередающее гидроакустическое устройство) 11, предназначенный для гидроакустической командной системы (ГАКС), датчик давления (ДД) 14, определяющий текущую глубину погружения станции, датчик электропроводности (ДЭ) 10, датчик температуры (ДТ) 7, электромагнитного датчика течения (ЭДТ) (координата Х 21-1, координата У 21-2), акустический датчик скорости распространения звука (АДЗ) 8, антенна радиолокационного отражателя и радиопередатчика (РА) 12, проблесковый маяк (ПМ) 13, антенна абонентского терминала спутниковой системы связи «Гонец» (ССС) 30 (фиг.4) с космической навигационной системой «ГЛОНАСС» (СРНС) 15. За нижнюю полусферу крепится исполнительная часть размыкателя 6, который связан с балластом 6-10 посредством гайдропа (троса) 6-8. Гайдроп выполнен из двух кусков троса, которые соединены с помощью вертлюга 6-9.
Источник питания 3 собран из литиевых аккумуляторных батарей, обеспечивающих в настоящее время максимальную емкость на условную единицу весогабаритных характеристик батарей. Источник питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря. Датчик герметичности 20 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке нижней полусферы, обеспечивая, таким образом, наблюдение за герметичностью станции (при обнаружении течи станции замыкается цепь, давая тем самым команду, на аварийное всплытие на блок управления исполнительным механизмом (УИМ) размыкателя) (поз. на фиг.). Автономный прибор срочности 9 представляет собой электронный таймер с автономным источником питания для непосредственного приведения в действие исполнительного механизма размыкателя в действие 6, дублирующий программное устройство 29 в БВУ 2.
Исполнительный механизм размыкателя (ИМР) 6 представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для соединения НА с балластом при погружении и отделения балласта при всплытии станции. ИМР (фиг.2) состоит из консоли 6-5, двух спусковых механизмов 6-3 (один из них исполняет роль дублирующего) и рычага 6-4. ИМР устанавливается снаружи на нижней полусфере НА 1, в центральное отверстие, которого входит хвостовик консоли 6-5 с радиальным кольцевым уплотнением 6-2, и крепится гайкой 6-1. Рычаг 6-4, короткое плечо которого нагружается усилием от веса балласта 8 и усилием растянутого резинового шнура 6-7, установлен на оси 6-6 и удерживается от поворота относительно консоли 6-5 двумя спусковыми
механизмами 6-3. При срабатывании одного из спусковых механизмов 6-3 рычаг 6-4 освобождается и под действием усилий на коротком плече поворачивается, отсоединяясь от балласта.
БГА 5 состоит из модуля гидроакустической командной системы (ГАКС) (фиг.) предназначенный для:
- приема гидроакустических команд и передачи гидрофизической информации по гидроакустическому каналу связи;
ГАКС позволяет:
- передавать с обеспечивающего судна на АГС команды управления;
- передавать из АГС на судовой приемно-обрабатывающий комплекс (СПОК) «квитанцию» о приеме и исполнении на донной станции команд управления;
- передавать из АГС на СПОК (по запросу) цифровую информацию о зарегистрированных сигналах;
- передавать из АГС на СПОК телеметрическую информацию о работе системы и узлов АГС и исполнении принятых команд;
- осуществлять поиск и определять местоположение АГС на дне относительно судна;
- передавать на судно об обнаруженных сбоях в аппаратуре ГАКС. Характеристики сигналов обмена между СПОК и АГС:
- обмен сигналами между судном и АГС осуществляется в диапазоне рабочих частот от 10 до 40 кГц;
- рабочая полоса частот - 1 кГц;
- передача сигналов осуществляется синхронно методом относительной фазовой модуляции со скоростью 200 Бод;
- разделение сигналов между АГС - кодовое;
- количество команд управления, передаваемых на каждую АГС - до 31;
- команды управления выдаются в блок программного управления и накопления АГС в виде 16-разрядных слов;
- количество квитанций, передаваемых из АГС на судно о приеме и исполнении донной станцией команд управления - до 31. Квитанция содержит данные о номере станции, номере принятой команды и ее исполнении. Накопитель информации (НИ) 35, входящий в состав бортового вычислительного узла (БВУ) 2 предназначен, прежде всего, для накопления зарегистрированной гидрофизической информации (фиг.3):
- предварительной обработки зарегистрированной информации фильтром -усилителем 24,23;
- аналого-цифрового преобразования информации 25;
- усреднения оцифрованной информации, запоминания информации в буферной памяти ОЗУ 26, затем в энергонезависимом запоминающем устройстве CF 27 и HDD 28.
Система накопления зарегистрированных данных построена на базе одноплатного микрокомпьютера Persior CF-1. CF-1 построен на микроконтроллере МС68СК338 фирмы Motorola, и включает 1 Mb flash памяти для данных и программ, а также 256 Kb статического ОЗУ 26. Для энергонезависимого хранения данных используется карта Compact Flash (CF) 27 объемом от 16 Mb. CF-1 поставляется с собственной операционной системой Pico DOS, которая позволяет создать на карте Compact Flash файловую систему,
совместимую с MS DOS. Для разработки целевых программ использован компилятор Metrowerks Code Warrior Pro C/C++.
В качестве устройства хранения данных используется 2.5 HDD 28 емкостью 18 Гбайт, который подключается к CF-1 через плату расширения Persistor Big IDEA. Программное обеспечение системы накопления данных представляет собой набор трех независимых программ. Они располагаются на трех различных участках флэш-памяти и используются для различных целей. Программа установки параметров накопления Settings позволяет просматривать и устанавливать такие параметры регистрации, как количество каналов (до 64 каналов), частота дискретизации (частота дискретизации в данной полезной модели установлена в 1 Гц), размеров буферов данных, режимы диагностики без перекомпиляции и перезагрузки программы накопления. Длительность регистрации для 64 канального непрерывного режима записи при частоте дискретизации 1 Гц достигает до 6 месяцев. Полезная модель в рассматриваемом варианте (фиг.3) использует только восемь каналов (ДД 14, ДТ 7, ДЭ 10, два канала ЭДТ 21, АДЗ 8, данные с компаса датчика наклона с блока ООН 4). Имеется возможность подключения других гидрофизических датчиков, измеряющих, например, содержание кислорода, рН, редокса, хлорофилла, роддамина, нефтепродуктов, фенолов и т.д. В целях снижения энергопотребления в процессе накопления используется двухступенчатый буфер. Данные из АЦП 25 накапливаются в буфере, находящимся в ОЗУ 26. После заполнения этого буфера все его содержимое переносится в буфер большего размера, который расположен в специальном разделе Compact Flash 27. Когда заполнится буфер, расположенный в Compact Flash, включается контроллер HDD 28 и содержимое буфера переносится в файл. После записи файла HDD отключается. Такой цикл автономной станцией повторяется многократно до момента завершения работы.
В БВУ 2 также включает в себе следующие блоки (фиг.4): программное устройство 29, блок спутниковой системы связи (ССС) 30, блок пеленгации и локации (ПЛ) 31, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УИМ) 34.
Программное устройство 29 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами АГС по заданной программе или по команде полученной по гидроакустическому каналу связи либо по радиоканалу (на поверхности).
По сигналу с датчика давления (ДД) 14 в надводном положении ПУ 29 включает проблесковый маяк (ПМ) 13, блок пеленга и локации (ПЛ) 31, блок спутниковой системы связи (ССС) 30. Блок ПЛ 31 через антенну 12 периодически излучает непрерывный тональный сигнал на частоте стандартного судового пеленгатора, прерываемый кодированным сообщением, содержащим условный номер станции, одновременно готов отразить локационный сигнал со стандартного радиолокатора, позволяющий четко отметить местоположение станции на поверхности моря. В подводном положении по сигналу с ДД 14 ПУ 29 отключает блоки ПЛ 31 и ССС 30.
ПУ 29 по программе включает или выключает блок гидроакустической командной системы (ГАКС) 32, входящей в состав блока гидроакустического (БГА) 5, исполняет все команды, получаемые с помощью блока ГАКС 32, и при необходимости передает через блок ГАКС 32 с помощью ресивера 11
запрашиваемую информацию. Кроме этого ПУ 29 управляет режимами накопления НИ 35 по заданной программе, в заданное время выдает команду УЙМ 34 на сброс балласта. При превышении данных с ДД 14 предельной величины, например 1000 метров, либо при обнаружении течи с помощью датчика герметичности 20, либо по команде полученной по гидроакустическому каналу связи с помощью ГАКС 32 ПУ 29, также выдает команду УЙМ 34 на включение исполнительного механизма размыкателя 6 (т.е. производится сброс балласта).
Автономный прибор срочности 9 представляет собой электронный таймер с автономным источником питания, не связанный с БВУ 2, непосредственно подающий исполнительному механизму размыкателя 6 необходимый электрический импульс. В заданный момент времени прибор срочности 9 выдает, независимо от программного устройства 29, необходимый электрический импульс исполнительному механизму размыкателя 6.
На дне станции по программе или по команде с ГАКС с помощью блока системы измерения дистанции (СИД) 33 определяют дистанции между станциями, а также наклонную дальность между судном и отдельными станциями.
Блок (ССС) 30 с помощью антенны СРНС 15 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции на поверхности моря, на основе спутниковой радионавигационной системы «ГЛОНАСС», определять местонахождение станции, кроме этого с помощью ССС 30, по команде по радиоканалу с обеспечивающего судна может быть осуществлена оперативная передача гидрофизической информации в исследовательский центр, который может располагаться практически на любой точке земли.
Работа МГАС заключается в следующем.
На борту обеспечивающего судна перед постановкой МГАС проходит полный цикл подготовки, включающий в себе включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в программное устройство 29, задание времени срабатывания исполнительного механизма 6 на приборе срочности 9. После цикла подготовки АГС с обеспечивающего судна следующего ходом 1-2 узла с помощью бортового крана выводят за борт и осуществляют сброс НА 1 с балластом 8. С этого момента АГС начинает погружаться со средней скоростью 1,6 м/с. Герметичный контейнер НА 1 (фиг.1), выполненный из алюминиевых сплавов, производит «мягкое» придонение с помощью гайдропа 6-8 на дно. После придонения АГС по программе с ПУ 29 или по команде с ГАКС 32 производит регистрацию, предварительную обработку и накопление гидрофизической информации. Предусмотрен режим регистрации гидрофизической информации на этапе погружения и всплытия АГС. По программе с ПУ 29 или по команде с ГАКС 32 может производиться передача накопленной гидрофизической информации по гидроакустическому каналу с помощью ГАКС 32.
При приеме с обеспечивающего судна команд на блок ГАКС 32 по гидроакустическому каналу связи команды исполняются ПУ 29. После завершения программы работ, заложенной в ПУ 29, программное устройство по программе либо по команде ГАКС 32 дает команду УЙМ 34 на отдачу балласта. В случае непрохождения команды, команда на сброс непосредственно ИМР 6 может быть продублирована с автономного прибора срочности 9. Экстренное всплытие АГС может быть осуществлено в случае затекания станции по сигналу
от датчика герметичности 20, в случае превышения глубины погружения предельной величины 6000 м по сигналу от ДД 14 и по команде по гидроакустическому каналу связи через блок ГАКС 32.
После всплытия станция включает проблесковый маяк 13 (в ночное время), начинает передавать радиосигнал пеленга через антенну 12 радиолокационного отражателя и радиопередатчика, кодированный сигнал через антенну СРНС 15. В случае приема сигнала от судового радиолокатора, антенна 12 начинает работать и в режиме активного отражателя. Обнаруженную станцию выбирают на борт судна, используя поплавок 22 с выборочным фалом. После выборки станции производят серию послепостановочных тестов, далее открывают станцию и осуществляют выемку НИ 24 с целью проведения обработки данных.