АВТОНОМНАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ ПО ГЛУБИНЕ

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств гидрофизических исследований и может быть использовано при проведении долговременных океанологических исследований.
При проведении океанологических исследований широко используются различные средства гидрофизического наблюдения, в том числе автономные гидрофизические станции, которые возвращаются на поверхность моря за счет своей положительной плавучести.
Автономные станции предназначенные для зондирования водной среды по глубине имеют систему всплытия - погружения, выполненные с лебедкой и электромотором, а также тросом, соединенным одним своим концом с якорем - балластом и с другим концом со станцией.
Автономная станция для зондирования водной среды по глубине выбранная в качестве прототипа (Вольфсон Л.М., Прошкин С.Г., Юрченко В.А. Автономная позиционная станция для зондирования водной среды по глубине, способ определения параметров водной среды этой станцией и способ передачи ею измеренных параметров, патент №2096247, В 63 В 22/06, 1997), содержит контейнер с комплектом измерительных модулей, системой приемо-передачи информации, выполненной с аппаратурой радиосвязи, бортовой системой управления, системой электропитания, системой всплытия и погружения выполненной с лебедкой, а также буйреп, соединенный одним своим концом с якорем, соединенный вторым своим концом с лебедкой системы всплытия и погружения, а система приема-передачи информации снабжена аппаратурой гидроакустической связи.
В прототипе для дифферентовки станции используются груза, что заметно усложняют эксплуатацию станции. Не предусмотрены возможности аварийного всплытия станции. Установка лебедки на борту станции заметно уменьшают полезную нагрузку станции и увеличивают бортовую затрату электроэнергии.
Предлагаемая полезная модель автономной гидрофизической станции (АГС) свободна от выше рассмотренных недостатков.
АГС предназначена для измерения и регистрации (до 8 каналов) гидрофизической информации на цифровые накопители на глубинах от 0 до 150 м (прочный корпус обеспечивает герметичность на глубинах до 1000 м) и оперативной передачи информации на поверхности моря по спутниковому каналу связи «Гонец».
Установка АГС обеспечивается свободным погружением на гайдропе за счет отрицательной плавучести создаваемой лебедкой с источником питания исполняющих роль якоря - балласта, всплытие осуществляется за счет положительной плавучести несущего корпуса при отделении от лебедки с источником питания.
Для учета гидрологической обстановки района во время работы АГС может оснащаться датчиками глубины, температуры, электропроводности, скорости распространения звука и т.д. (до 8 датчиков) с микропроцессорной системой сбора и обработки гидрофизической информации.
АГС обеспечивает усиление, фильтрацию, оцифровку, предварительную обработку и регистрацию на цифровой накопитель гидрофизической информации. При этом основной задачей предлагаемой АГС является измерение гидрофизических параметров по глубине водной среды, для перемещения АГС по глубине применяется специальная лебедка-якорь, которая состоит из лебедки с источником питания исполняющих роль якоря-балласта. С целью возращения лебедки с источником питания АГС оснащается пропиленовым фалом и тросом.
Возвращение на поверхность лебедки с источником питания достигается следующим образом. По команде, полученной АГС по гидроакустическому каналу связи от обеспечивающего судна или команде заложенной в программу, АГС всплывает на поверхность моря. При этом АГС связана с лебедкой-якорем пропиленовым фалом и тросом, что позволяет после выборки АГС произвести подъем лебедки с источником питания.
АГС представляет собой аппаратурный модуль, систему определения местоположения АГС и передачи оперативной гидрофизической информации
на поверхности моря, систему освобождения от лебедки-якоря, гидроакустическую командную систему и систему регистрации, предварительной обработки и накопления гидрофизической информации.
АГС состоит (фиг.1) из носителя аппаратуры (НА) 1, изготовленного из алюминиевых сплавов. Внутри НА 1 установлены блок управления (БУ) 2, накопитель информации (НИ) 3, абонентный пункт (АН) спутниковой системы связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 4, источник питания (ИП), собранный из литиевых батарей 5, совмещенные радиоантенны (РА) спутниковой системы связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 6, датчик герметичности 8. Снаружи установлены радиопрозрачный колпак (полусфера) 7, обратимый гидроакустический преобразователь (ресивер) 18, поплавки из синтактических материалов 9, исполнительный механизм размыкателя (ИМР) 10, конической формы барабан 11.
Фал 12 (до 400 м) намотан на конической формы барабан 11, конец которого зафиксирован на барабане с помощью специальной чеки 13 и соединен к верхней части гайдропа 15, связанная с нижней частью с помощью вертлюга. Нижняя часть гайдропа соединена с тросом 16, который в свою очередь связан с лебедкой 17 и источником питания 18.
Прочный корпус НА 1 с дополнительной плавучестью в виде поплавков 9 при полной нагрузке штатным оборудованием обеспечивает положительную плавучесть не менее 500 Н, при этом прочный корпус обеспечивает герметичность на глубинах до 1000 м.
Поплавок 9 (вид сверху АГС, фиг.2) соединен двумя рамами, которые прикреплены к прочному корпусу НА 1, а две рамы связаны с помощью распорок, изготовленных из алюминиевых трубок. Соседние поплавки соединены с помощью пластин. На верхних пластинах (их четыре), закрепленных на верхней раме, предусмотрены по три установочных места 20 для крепления датчиков и приборов. На этих местах штатно установлены обратимый гидроакустический преобразователь (ресивер) 21 гидроакустической командной системы связи (ГАКС), проблесковый световой маяк 22, радиоантенна 23 активного радиолокационного ответчика, датчик давления 26. На корпусе НА 1 предусмотрены 12 гермоввода
(разъемы) 19. Для выполнения операций по постановке и выборке АГС предусмотрены грузовая скоба 25 и устройство выборки 24.
На конической формы барабан 11 наматывается пропиленовый фал 12 рассчитанный на возращение АГС на поверхность моря после выполнения программы работ, либо по командам по гидроакустическому каналу связи, либо по команде с датчика давления 26 (при превышении заданной глубины), либо по команде с датчика герметичности 8 (при обнаружении течи). Отрезок фала (порядка 1 метра от конца) фиксируется на нижней кромке барабана с помощью специальной чеки 13. Чека 13 в свою очередь с помощью тросика 14 крепится к гайдропу 15 (верхняя часть вертлюга). На этой же точке крепится конец фала 12. На нижнюю часть вертлюга гайдропа 15 крепится трос 16, другой конец троса крепится за лебедку 17. Вместе с лебедкой в виде моноблока закреплен источник питания лебедки 18. В таком виде моноблок исполняет роль якоря-балласта.
Лебедка 17 предназначена для обеспечения циклического перемещения АГС по вертикали на тросе в диапазоне глубин от 0 до 150 м в автономном режиме и передачи данных с поверхности моря в центр обработки данных. Лебедка состоит из следующих основных конструктивных элементов (фиг.3): шасси 17-1; барабана 17-2; тягового шкива 17-3; двух герметичных электроприводов 17-4; укладочного ролика 17-5; приводного катка барабана 17-6; направляющих роликов 17-7; тороидной направляющей 17-8; тормоза слабины 17-9. Кинематика работы лебедки организована следующим образом. Тяговый трос 16 поступает через тороидную направляющую 17-8 к тяговому шкиву 17-3, огибая три направляющих ролика 17-7. После выхода из ручья тягового шкива 17-3 трос 16 попадает на укладочный ролик 17-5, а затем в накопительный барабан 17-2. Между тороидной направляющей 17-8 и первым направляющим роликом 17-7 установлен подпружиненный рычажный тормоз слабины 17-9, служащий для фиксации натяжения тягового троса 16 внутри лебедки в случае возникновения слабины на направлении тягового усилия. Два герметичных электропривода 17-4 лебедки представляют собой мотор -редукторы постоянного тока, защищенные от воздействия морской воды прочными герметичными
контейнерами со встроенными блоками электронного управления. Тяговый двигатель 17-4-1 и двигатель подмотки 17-4-2 имеют одинаковую конструкцию и одинаковые системы управления. Режим работы задается изменением программы управляющего микропроцессора. Тяговый двигатель 17-4-1 предназначен для создания тягового усилия на тяговом шкиве 17-3. Система управления тяговым двигателем 17-4-1 обеспечивает стабилизацию скорости вращения выходного вала привода с частотой, задаваемой программным путем. Двигатель подмотки 17-4-2 обеспечивает стабилизацию момента намотки троса 16 для укладки в барабан 17-2 с заданным моментом натяжения. Скорость вращения вала не стабилизируется. Для режима намотки и режима смотки троса 16 задаются различные моменты натяжения троса. Величина момента намотки троса задается программным путем. Микропроцессор блока управления лебедкой формирует сигналы управления тяговым двигателем 17-4-1 и двигателем подмотки в зависимости от сигналов с программного устройства, сигналов концевых датчиков и датчиков вращения тягового шкива 17-3 лебедки. Программное устройство блока управления лебедкой включает в себя таймер, который в заданное программой время вырабатывает сигналы «включить-отключить привод», «направление вращения». В качестве датчиков частоты вращения используется парапостоянный магнит, закрепленный на валу двигателя и магниточувствительный компаратор. Использование такого датчика позволяет измерять частоту вращения вала двигателя через стенку герметичного контейнера. Сигналы с датчиков частоты вращения и внешние управляющие сигналы с программного устройства блока управления лебедкой подаются на микропроцессор управления двигателем. В системе управления тяговым двигателем 17-4-1 используется режим ограничения скорости вращения двигателя с использованием сигналов датчиков частоты вращения. В приводе двигателя подмотки 17-4-2 сигналы с датчиков частоты вращения не используется. Двигатель подмотки питается постоянным током, что позволяет стабилизировать тяговый момент независимо от скорости вращения вала двигателя. Тяговое усилие на тросе лебедки не менее 500 Н при скорости выборки не более 0,05 м/сек. Напряжение питания привода 12
В, ток потребления под нагрузкой 5-20 А. Рассчитанная глубина погружения лебедки до 1000 м при заполнении защитных корпусов электродвигателей жидким диэлектриком с уравнением внешнего и внутреннего давлений, «Всухую» возможна работа до глубин 250 м. Емкость барабана лебедки порядка 200 м при диаметре троса 6 мм.
В развернутом рабочем положении АГС (фиг.4) располагается на глубине не более 150 м, после срабатывания исполнительного механизма размыкателя 10 АГС всплывает на поверхность моря. Такая схема выбрана с учетом возможного отказа в работе лебедки 17.
Блок управления АГС 2 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами АГС по заданной программе или по команде, полученной по гидроакустическому каналу связи, либо по радиоканалу (на поверхности).
Источник питания 5 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 ниже ватерлинии для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря.
Датчик герметичности 8 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке корпуса НА, обеспечивая, таким образом, наблюдение за герметичностью станции (при обнаружении течи станции замыкается цепь, давая тем самым команду на блок управления исполнительным механизмом размыкателя). Исполнительный механизм размыкателя (ИМР) 10 представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для соединения корпуса НА 1 с лебедкой 17 при погружении, нахождения его в подводном положении и отделения от лебедки 17 при всплытии станции.
Накопитель информации (НИ) 3 предназначен, прежде всего, для накопления зарегистрированной информации.
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. Для энергонезависимого хранения данных используется карта Compact Flash (CF) 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 емкостью 40 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, частота дискретизации, размеров буферов данных, режимы диагностики без перекомпиляции и перезагрузки программы накопления.
В целях снижения энергопотребления в процессе накопления используется трехступенчатый буфер. Данные из АЦП накапливаются в буфере, находящимся в ОЗУ. После заполнения этого буфера все его содержимое переносится в буфер большего размера, который расположен в специальном разделе Compact Flash. Когда заполнится буфер, расположенный в Compact Flash, включается контроллер HDD и содержимое буфера переносится в файл. После записи файла HDD отключается. Такой цикл автономной станцией повторяется многократно до момента завершения работы.
Характеристики сигналов обмена ГАКС между судовой аппаратурой и АГС имеют следующие параметры:
- обмен сигналами между обеспечивающим судном и ГАКС 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 скорость 200 Бод. Абонентский пункт (АП) 4 с помощью совмещенной антенны системы спутниковой системы связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 6 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции на поверхности моря определять местонахождение станции. Также с помощью АП 4 может быть осуществлена оперативная передача гидрофизической информации в исследовательский центр, который может располагаться практически на любой точке.
Радиоантенна активного радиолокационного ответчика 23 позволяет с использованием штатного судового радиолокатора определять местонахождение АТС. Активный РЛС ответчик 3 сантиметровом диапазоне обеспечивает на экране навигационной РЛС две отметки характеризующие дальность и курс на АГС.
Проблесковый световой маяк 22 имеет лампу ИФК-50 с энергией световой вспышки 1 кДж, вспышки следуют с интервалом 8 сек.
По сигналу с датчика давления 26 в надводном положении БУ 2 включает Проблесковый маяк 22, АП 4 спутниковой системы связи и навигации, одновременно готов с помощью антенны 23 активного радиолокационного ответчика отразить локационный сигнал со стандартного радиолокатора, позволяющий четко отметить местоположение станции на поверхности моря. В подводном положении по сигналу с датчика давления 26 БУ 2 отключает абонентский пункт 4 спутниковой системы связи и навигации.
БУ 2 по программе включает или выключает узел гидроакустической командной системы (ГАКС), исполняет все команды, получаемые по гидроакустическому каналу связи с помощью обратимого преобразователя 21. Кроме этого БУ 2 управляет режимами накопления НИ 3 по заданной программе, в заданное время или по команде выдает команду ИМР 10 на исполнение. Так при превышении данных с ДД 26 предельной величины, например 150 метров, либо при обнаружении течи с помощью датчика герметичности 8, либо по команде полученной по гидроакустическому
каналу связи с помощью преобразователя 21 выдает команду ИМР 10 на исполнение.
Работа АГС заключается в следующем. На борту обеспечивающего судна перед постановкой АГС с лебедкой проходит полный цикл подготовки, включающий в себе включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в блок управления 2. После тестирования и сборки в единое целое АГС с лебедкой определяется место постановки (глубина места не должна превышать 150 м). Постановку можно осуществить двумя способами. Первый способ: свободное погружение АГС за счет отрицательной плавучести. После придонения станции по команде с блока управления лебедкой, лебедка начинает стравливать трос, обеспечивая, тем самым медленное всплытие станции. Второй способ: за борт обеспечивающего судна выносится моноблок лебедка с источником питания, затем медленно стравливают трос 16 и, наконец, в последнюю очередь опускаем за борт АГС. При глубине места до 150 м (при малых значениях скорости течения глубина места может оказаться большим) АГС в начальном этапе находится на поверхности моря. По программе заложенной в программном устройстве блока управления лебедкой, лебедка начинает наматывать трос на барабан и АГС начинает двигаться вниз. С этого момента АГС начинает проводить регистрацию гидрофизической информации. Работа лебедки полностью определяется заложенной программой. В случае затекания АГС или превышения глубины погружения выше заданной, например, 150 м происходит срабатывание ИМР 10 и АГС всплывает (аварийное всплытие) на поверхность моря. В штатных условиях, после выполнения программы работ, всплытие АГС происходит только по командам, получаемым по гидроакустическому каналу связи через ГАКС от обеспечивающего судна или блока управления АГС. После срабатывания исполнительного механизма размыкателя, АГС всплывает на поверхность моря. После обнаружения АГС обеспечивающим судном, АГС выбирается на судно, а затем - лебедка с источником питания.