НАВИГАЦИОННЫЙ БУЙ

Полезная модель относится к средствам навигационного ограждения судоходных акваторий и может быть использована для обеспечения безопасности плавания, в т.ч. автономных и безэкипажных надводных судов.
Известны навигационные буи по патентам RU 20080, МПК B63B 22/16, опубл. 20.10.2001; RU 112149, МПК B63B 22/16, опубл. 10.01.2012; RU 2473449, МПК B63B 22/16, опубл. 27.01.2013; RU 133503, МПК B63B 22/16, опубл. 20.10.2013; RU 143250, МПК B63B 22/16, опубл. 20.07.2014; RU 102588, МПК B63B 22/16, опубл. 27.06.2016; RU 182649, МПК B63B 22/16, опубл. 24.08.2018; RU 182325, МПК B63B 22/16, опубл. 14.08.2018 и др. Приведенные устройства предназначены для обеспечения безопасности водных путей и содержат: поплавок, надводную часть в виде сигнальной (силуэтной) фигуры, светящийся фонарь, радиолокационный отражатель, внутренний отсек для размещения источника электропитания, балансировочный груз, стабилизатор в подводной части и донный якорь.
Общим недостатком известных аналогов является невозможность удаленного мониторинга изменения местоположения буя под воздействием, например, ветроволновых нагрузок, отсутствие какой-либо обратной связи аналогов с береговыми службами или находящимися рядом судами, что требует обязательной прямой видимости буя для обеспечения безопасности плавания.
Известны навигационные или гидрометеорологические буи, содержащие приемник глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) GPS/ГЛОНАСС, соединенный с модулем передачи данных по каналам связи GSM/GPRS/LTE или УКВ (см. патенты RU 177210, МПКG01P 13/00,опубл. 13.02.2018; RU 180460, МПК B63B 51/00, опубл. 4.06.2018; RU 2706882, МПК G01S1/08, опубл. 21.11.2019; RU 2561229, МПК B63B 22/00, опубл. 27.08.2015; светодиодный навигационный фонарь с функцией удаленного мониторинга Nonius™ AtoN (http://noniusgroup.ru/products/buoys/).
Недостатки приведенных аналогов заключаются в том, что они передают в береговые центры информации только гидрометеоинформацию или данные о собственном местоположении буя, что является только частью навигационного обеспечения, необходимого для безопасного плавания судов. Особенно это касается автономных или безэкипажных судов, которым для безопасного судоходства требуется дополнительная информация. Также к их недостаткам можно отнести невозможность оперативной передачи информации от навигационного буя непосредственно на судно по радиоканалу (беспроводной связи), минуя береговой центр информации.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является навигационное устройство по патенту RU 162713, МПК B63B 22/16, опубл. 27.06.2016, выбранное в качестве прототипа.
Прототип содержит светогенерирующий блок и блок приема/передачи сигналов, которые расположены в герметичном прозрачном корпусе. Светогенерирующий блок выполнен в виде, по меньшей мере, одного светооптического модуля, а блок приема/передачи сигналов состоит из радиопередающего устройства GSM/GPRS, модуля GPS/ГЛОНАСС и приемника ГНСС, при этом все указанные элементы связаны с микроконтроллером, расположенным также внутри герметичного корпуса. Устройство может быть дополнительно снабжено разъемом, предназначенным для подключения внешних устройств, а радиопередающее устройство может быть выполнено в виде УКВ передатчика.
Недостатком прототипа является сложность его конструкции, состоящей из 13 отдельных блоков, невозможность оперативного обмена навигационной информацией с проходящими судами в отсутствии радиосвязи, что наиболее актуально для безэкипажных или автономных надводных судов, недостаточная точность определения местоположения навигационного буя по GPS/ГЛОНАСС сигналам и невозможность определения параметров окружающей водной среды (параметров волнения и температуры воды), т.е. определения навигационной опасности плавания судов. Недостатком прототипа также является наличие прозрачного корпуса навигационного устройства, пропускающего ультрафиолетовое излучение, которое негативно влияет на работу электронных компонентов.
Предлагаемое устройство решает проблему расширения функциональных возможностей навигационного буя, увеличения точности определения его местонахождения и упрощения его конструкции.
Для решения проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в навигационном буе, состоящем из подводной и надводной частей, последней выполненной в виде сигнальной (силуэтной) фигуры, в верхней части которой в герметичном корпусе закреплено навигационное устройство, включающее драйвер светодиодов светодиодного излучателя, соединенный с фотодатчиком, модуль GPS/ГЛОНАСС-приемник ГНСС, модем LTE и микроконтроллер, входы которого связаны с выходами всех указанных устройств, в отличие от прототипа, микроконтроллер выполнен с интегрированной беспроводной связью Wi-Fi и возможностью передачи RTK поправок в приемник ГНСС, при этом модуль GPS/ГЛОНАСС-приемник ГНСС и модем LTE выполнены с поддержкой RTK технологии. При этом навигационный буй дополнительно оснащен интегрированным 9-ти осевым датчиком 3D положения, расположенным в надводной части изделия, и датчиком температуры воды, расположенным в его подводной части, при этом выходы датчиков соединены с входами микроконтроллера. При этом корпус навигационного буя выполнен из полимерного материала и имеет сквозную вертикальную полость для размещения датчика температуры воды и электрических проводов. Для исключения негативного влияния ультрафиолетового излучения на электронные компоненты корпус навигационного устройства выполнен из металла, при этом матрица светодиодного излучателя вынесена наружу.
Сущность полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей навигационного буя, в т.ч. возможности использования в безэкипажном или автономном судоходстве, увеличении точности определения его местонахождения и упрощении конструкции, за счет использования широкополосной беспроводной связи Wi-Fi и средств RTK технологии. Это позволяет обеспечить прямую широкополосную беспроводную связь с судами, необходимую для оперативного обмена данными и для осуществления приема, обработки и передачи RTK поправок в приемник ГНСС, что, в свою очередь, позволяет судам с более высокой точностью определять местоположение навигационного буя. Использование микроконтроллера с беспроводной Wi-Fi связью позволяет отказаться от внешних электрических или оптических разъемов для перепрограммирования (прошивки) устройства, что дополнительно упрощает конструкцию. Кроме того, введение в состав изделия интегрированного 9-осевого датчика 3D положения и датчика температуры воды позволяет определять параметры окружающей водной среды, т.е. выявлять навигационные опасности мореплавания и сообщать о них приближающимся судам, что дополнительно расширяет функциональные возможности изделия.
Сопоставление предлагаемого устройства с прототипом показало, что поставленная задача - создание навигационного буя с расширенными функциональными возможностями, повышенной точностью определения местоположения и упрощенной конструкцией - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие заявленной полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Возможность получения указанного технического результата осуществляется с помощью устройства, элементы которого находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи.
Предлагаемое устройство навигационного буя поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 дано схематическое изображение конструкции буя, на фиг. 2 представлена блок-схема навигационного устройства.
Навигационный буй (фиг. 1) содержит корпус 1, надводная часть которого выполнена в виде сигнальной (силуэтной) фигуры, надводный рым 2 для перемещения и установки навигационного буя, подводный рым 3 для крепления навигационного буя с помощью цепей и якоря к дну акватории, навигационное устройство 4, блок-схема которого приведена на фиг. 2, блок аккумуляторных батарей 5, вертикальное сквозное отверстие в буе 6 для размещения термодатчика 7 и электрических проводов, соединяющих датчик с микроконтроллером.
Навигационное устройство 4 (фиг. 1) жестко закреплено в верхней части навигационного буя при помощи болтового соединения, на фиг. 2 представлена его блок-схема, включающая: расположенные в герметичном корпусе 8, светодиодный излучатель 9 (матрица которого выведена наружу), ГНСС (GPS/ГЛОНАСС) приемник 10, микроконтроллер 11 с интегрированным Wi-Fi, LTE-модем сотовой связи 12, соединенный с микроконтроллером 11 двухсторонней связью, фотодатчик 13, интегрированный 9-ти осевой датчик 3D положения 14, в состав которого входят 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и магнитометр, датчик температуры воды 15, и драйвер светодиодного излучателя 16, к входу которого подключен микроконтроллер 11, а к выходу - светодиодный излучатель 9.
Навигационный буй может быть реализован на следующих схемотехнических элементах: корпус 1 буя выполнен из полимерного материала, например, полиэтилена методом ротационного формования, и имеет необходимый силуэт, блок аккумуляторных батарей 5 может быть выполнен в виде кассет литий-ионных или литий-кобальтовых аккумуляторов форм-фактора 18650 или аналогичных изделий.
Герметичный корпус 8 представляет собой литой алюминиевый корпус со степенью защиты IP67, светодиодный излучатель 9 - сборку светодиодов различной мощности и светового спектра. В качестве ГНСС (GPS/ГЛОНАСС) приемника 10 может быть использован мультисистемный высокоточный навигационный приемник NV08C-RTK производства ООО «НВС Навигационные Технологии» с поддержкой технологии RTK и обеспечивающий сантиметровую точность, используя фазовые измерения сигналов систем спутниковой навигации, в качестве микроконтроллера 11 с интегрированной беспроводной связью Wi-Fi - микроконтроллер ESP32 производства Espressif Systems, в качестве LTE-модема сотовой связи 12 - устройство MIKROTIK WAP LTE KIT производства MikroTik, в качестве фотодатчика 13 - цифровой датчик BH1750 производства Bosch Sensortec и измеряющий фоновое освещение в люксах, в качестве интегрированного 9-ти осевого датчика 3D положения 14 - устройство MPU-9250 производства InvenSense, в качестве термодатчика 15 - герметичный цифровой датчик Dallas DS18B20 производства Maxim Integrated, в качестве драйвера светодиодного излучателя 16 - устройства производства российской компании «Трион».
Указанное исполнение навигационного буя позволяет использовать его в качестве средства навигационного ограждения судоходства, в т.ч. для обеспечения безопасности плавания безэкипажных или автономных надводных судов.
Предлагаемый навигационный буй работает следующим образом.
После установки навигационного буя (фиг. 1) в заданное место и настройки ГНСС (GPS/ГЛОНАСС) приемника 10 (фиг. 2) на прием сигналов от глобальных навигационных спутниковых систем и передачу их в микроконтроллер 11 для определения местоположения буя, посредством LTE-модема сотовой связи 12 принимаются RTK поправки, например, по протоколу RTCM от сети референцных станций SmartNet Russia, которые поступают в микроконтроллер 11, где обрабатываются и передаются по протоколу NMEA в приемник 10. В микроконтроллер 11 также поступают данные от фотодатчика 13, интегрированного 9-ти осевого датчика 3D положения 14, датчика температуры воды 15, где обрабатываются по определенному алгоритму и посредством LTE-модема сотовой связи 12 передаются в береговой центр управления или автоматизированное рабочее место оператора для мониторинга положения навигационного буя и внешних параметров. В зависимости от времени суток, освещенности и параметров волнения воды, микроконтроллер 11 формирует управляющие сигналы на драйвер светодиодного излучателя 16, который в свою очередь управляет режимом работы светодиодного излучателя 9. При необходимости дополнительного информационного обеспечения плавания автономных или безэкипажных надводных судов, и при их нахождении в зоне действия беспроводной связи навигационного устройства буя, они имеют возможность подключения по широкополосной Wi-Fi сети непосредственно к микроконтроллеру 11 для получения необходимых данных, поступающих от измерительных датчиков.
По сравнению с прототипом предлагаемый навигационный буй имеет возможность оперативной связи с судами по каналам широкополосной беспроводной связи Wi-Fi, тогда как в прототипе такая связь организована по УКВ каналу, имеющему пропускную способность в десятки раз меньше. Кроме того, устройство обеспечивает более точное определения местоположения буя: за счет использования RTK-поправок достигается точность в десятки сантиметров, в то время, как у прототипа - несколько метров. Навигационное устройство непрерывно фиксирует волнения воды (с помощью интегрированного 9-ти осевого датчика 3D положения), что позволяет предоставлять приближающимся судам дополнительную информацию о навигационной обстановке в цифровом виде и путем использования специальных сигналов светодиодного излучателя.
В дальнейшем, навигационный буй предполагается использовать как средство навигационного ограждения в реальных условиях, в т.ч. для безэкипажных или автономных надводных судов.
Предлагаемая полезная модель была разработана специалистами ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательских работ. Было произведено моделирование устройства с необходимыми расчетами и изготовлен его физический макет, который был испытан в реальных условиях на реке Нева в зоне тестовой акватории «Беспилотник» и дал хорошие результаты. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «промышленная применимость».