АВТОНОМНАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА НЕСКОЛЬКИХ ФИКСИРОВАННЫХ ГЛУБИНАХ

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.
Однако автономные гидрофизические станции имеют один существенный недостаток, ее измерительная аппаратура позволяет контролировать только параметры придонных вод. Устранить этот недостаток можно, снабжая автономную гидрофизическую станцию «гирляндой» гидрофизических измерительных модулей (ГИМ) [Павловский В.А., Татаренко Е.И. Донные станции экологического мониторинга в системе контроля вторичного загрязнения., Экологические системы и приборы, №7, 2000, с.2-4]. В состав
ГИМ могут входить датчики давления, температур, электрической проводимости и т.д., фильтры, усилители, АЦП, адаптеры связи, коммутаторы, контроллеры и т.д. Связь автономной станции с береговым пунктом обработки осуществляется с помощью подводного кабеля.
Донная автономная гидрофизическая станция, имеющая в своем составе несколько ГИМ, принятая в качестве прототипа, оснащена датчиками температуры, давления, электрической проводимости, рН, Eh, растворенного кислорода, многоканальной цифровой системой регистрации и накопления информации, устройством управления режимами работы.
Предлагаемая полезная модель донной автономной гидрофизической станции для зондирования параметров водной среды на нескольких фиксированных глубинах (АГС ФГ) предназначена для измерения и регистрации в придонном слое и на некоторых фиксированных глубинах 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 ФГ на дно обеспечивается свободным погружением с помощью балласта на гайдропе и всплытие на поверхность за счет положительной плавучести прочного несущего корпуса автономной гидрофизической станции (АГС) при отделении балласта и положительной плавучести ГИМ.
АГС ФГ состоит из аппаратурного модуля АГС, семиэлементной «гирляндой» ГИМ, поверхностного буя со спутниковой системой связи «Гонец», системой определения местоположения АГС, системой освобождения от балласта, гидроакустической командной системой, 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.
АГС ФГ представляет собой (фиг.1): носитель аппаратуры (НА) 1 АГС, 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, семиэлементный гидрофизический измерительный модуль (ГИМ) 22, поверхностный радиобуй со спутниковой системой связи «Гонец» 23. 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.
Семиэлементная «гирлянда» ГИМ (фиг.2) состоит из семи секции. Секция представляет собой ГИМ и отрезок измерительного кабеля 22. ГИМ представляет собой аппаратурный модуль 22-9 в виде прочного цилиндрического корпуса, на плоские поверхности вынесены
восемь герморазъемов для подключения датчиков 22-1 и два герморазъема 22-2 для ввода сигнальных кабелей 22-3 (по 4 для датчиков и по 1 для кабеля на каждой поверхности), кабель 22-3 закрепляется зажимом 22-8 к ограждению 22-7, для исключения возможности разрыва сигнального кабеля 22-3 проложены две страховочные фалы 22-5, страховочные фалы и сигнальный кабель закрепляются друг с другом при помощи зажимов 22-6 и с аппаратурным модулем 22-9 специальным зажимом 22-4. Для придания отдельной секции положительной плавучести порядка 2 кг аппаратурный модуль 22-9 опоясывается поплавком 22-10. Верхний (последний) аппаратурный модуль 22-9 соединен с помощью кабеля и страховочных фалов с поверхностным радиобуем 23. Расстояние между отдельными ГИМ можно скорректировать в сторону уменьшения, укорачивая с помощью зажимов 22-6, длину страховочных фалов. ГИМ можно использовать как локальный центр сбора информации, например, термодатчиков оснащенных кабелями различной длины которые заведены в ГИМ с помощью гермовводов 22-1. Таким образом, можно произвольно разместить 8 датчиков между соседними ГИМ.
В поверхностном радиобуе 23 размешен абонентский терминал спутниковой системы связи «Гонец» с антенной, источник питания.
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 блок управления исполнительным механизмом (УЙМ) размыкателя) (поз.34 на фиг.5).
Автономный прибор срочности 9 представляет собой электронный таймер с автономным источником питания для непосредственного приведения в действие исполнительного механизма размыкателя в действие 6.
Исполнительный механизм размыкателя (ИМР) 6 представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для соединения НА 1 с
балластом 8 при погружении, нахождения его в подводном положении и отделения балласта при всплытии станции.
ИМР (фиг.3) 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 спусковых механизмов или одного из них, рычаг 6-4 освобождается и под действием усилий на коротком плече поворачивается, отсоединяя от балласта.
БГА 5 состоит из модуля гидроакустической командной системы (ГАКС) предназначенный для:
- приема гидроакустических команд и передачи гидрофизической информации по гидроакустическому каналу связи;
ГАКС позволяет:
- передавать с обеспечивающего судна на АГС ФГ команды управления;
- передавать из АГС ФГ на судовой приемно-обрабатывающий комплекс
(СПОК)
«квитанцию» о приеме и исполнении на донной станции команд управления;
- передавать из АГС ФГ на СПОК (по запросу) цифровую информацию о зарегистрированных сигналах;
- передавать из АГС ФГ на СПОК телеметрическую информацию о работе системы и узлов АГС ФГ и исполнении принятых команд;
- осуществлять поиск и определять местоположение АГС ФГ на дне относительно судна;
- передавать на судно об обнаруженных сбоях в аппаратуре ГАКС.
Характеристики сигналов обмена между СПОК и АГС ФГ:
- обмен сигналами между судном и АГС ФГ 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 ФГ - кодовое;
- количество команд управления, передаваемых на каждую АГС ФГ - до 31;
- команды управления выдаются в блок программного управления и накопления АГС ФГ в виде 16-разрядных слов;
- количество квитанций, передаваемых из АГС ФГ 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) 36 (фиг.5), входящий в состав бортового вычислительного узла (БВУ) 2 предназначен, прежде всего, для накопления зарегистрированной гидрофизической информации (фиг.4):
- предварительной обработки зарегистрированной информации фильтром-усилителем 26, 25 (конструктивно располагается как в БВУ 2 так и в отдельных ГИМ);
- аналого-цифрового преобразования информации 27 (8-канальный 12-разрядный АЦП, конструктивно располагается как в БВУ 2 так и в отдельных ГИМ);
- коммутирования данных с НА 1 и с ГИМ, запоминания информации в буферной памяти ОЗУ 28, затем в энергонезависимом запоминающем устройстве CF 29 и HDD 30.
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 250 Kb статического ОЗУ 26.
Для энергонезависимого хранения данных используется карта Compact Flash (CF) 29 объемом от 16 Mb (в предлагаемой полезной модели 256 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 30 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 (7 ГИМ × 8 датчиков = 56 каналов плюс 8 каналов АГС) 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 трехступенчатый буфер. Данные из АЦП 27 накапливаются в буфере ОЗУ 28. После заполнения этого буфера все его содержимое переносится в буфер большего размера, который расположен в специальном разделе Compact Flash 29. Когда заполнится буфер, расположенный в Compact Flash, включается контроллер HDD 30 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.5): программное устройство 31, блок спутниковой системы связи (ССС) 32, блок пеленгации и локации (ПЛ) 33, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УЙМ) 35.
Программное устройство 31 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами АГС ФГ 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 31 включает проблесковый маяк (ПМ) 13, блок пеленга и локации (ПЛ) 33, блок спутниковой системы связи (ССС) 32. Блок ПЛ 33 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 31 отключает блоки ПЛ 33 и ССС 32.
ПУ 31 по программе включает или выключает блок гидроакустической командной системы (ГАКС) 34, входящей в состав блока гидроакустического (БГА) 5, исполняет все команды, получаемые с помощью блока ГАКС 34, и при необходимости передает через блок ГАКС 34 с помощью ресивера 11 запрашиваемую информацию. Кроме этого ПУ 31 управляет режимами накопления НИ 36 по заданной программе, в заданное время выдает команду УЙМ 35 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 34 ПУ 31, также выдает команду УЙМ 36 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 31, необходимый электрический импульс исполнительному механизму размыкателя 6.
Блок (ССС) 32 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 32, 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.
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.
Работа АГС ФГ заключается в следующем.
На борту обеспечивающего судна перед постановкой АГС ФГ проходит полный цикл подготовки, включающий в себе включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в программное устройство 31, задание времени срабатывания исполнительного механизма 6 на приборе срочности 9. После цикла подготовки АГС ФГ с обеспечивающего судна следующего ходом 1-2 узла сбрасывают сначала радиобуй, затем последовательно верхний (последний) ГИМ, далее предпоследний и т.д. Последним с помощью бортового крана выводят за борт и осуществляют сброс НА 1 АГС с балластом 8. С этого момента АГС ФГ начинает погружаться со средней скоростью порядка 1 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 ФГ по программе с ПУ 31 или по команде с ГАКС 34 производит регистрацию, предварительную обработку и накопление
гидрофизической информации. Предусмотрен режим регистрации гидрофизической информации на этапе погружения и всплытия АГС ФГ Накопленная информация может быть передана по спутниковому каналу связи в моменты прохождения спутников в зоне видимости радиобуя. По программе с ПУ 31 или по команде с ГАКС 34 может производиться также передача накопленной гидрофизической информации по гидроакустическому каналу связи с помощью ГАКС 34.
При приеме с обеспечивающего судна команд на блок ГАКС 34 по гидроакустическому каналу связи, эти команды исполняются ПУ 31. После завершения программы работ, заложенной в ПУ 31, программное устройство по программе либо по команде ГАКС 34 дает команду УЙМ 35 на отдачу балласта. В случае не прохождения команды, команда на сброс непосредственно ИМР 6 может быть продублирована с автономного прибора срочности 9. Экстренное всплытие АГС ФГ 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 34.
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, в той же по сравнению с постановкой последовательности, а именно сначала выбирается радиобуй, далее последовательно ГИМ и последним НА 1 АГС. После выборки станции производят серию послепостановочных тестов, далее открывают станцию и осуществляют выемку НИ 36 с целью проведения обработки данных.