Способ навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата, выполняющего мониторинг подводного добычного комплекса
METHOD FOR NAVIGATION AND INFORMATION SUPPORT OF AN AUTONOMOUS UNMANNED UNDERWATER VEHICLE THAT MONITORS AN UNDERWATER PRODUCTION COMPLEX

Изобретение относится к средствам подводной навигации и связи может быть использовано для   определения местоположения и управления автономных  подводных аппаратов (АНПА), выполняющих непрерывный (периодический) мониторинг технического состояния   объектов подводной инфраструктуры, например подводных добычных комплексов (ПДК) с большим количеством разнородных инспектируемых объектов, размещенных на большой площади, в том числе при выполнении миссий подо льдом.
Известно (Матвиенко Ю.В., Ремезков А.В. Концепция создания роботизированного комплекса обследования и мониторинга технического состояния объектов подводной добычи // Газовая промышленность. Автоматизация. – 2020, № 2(802), с. 30–37), что особенностью АНПА, используемых для мониторинга технического состояния объектов ПДК, в том числе с учетом возможного применения в условиях ледового покрытия, является широкий диапазон  их функциональных характеристик. АНПА должен быть оснащен соответствующим бортовым измерительным оборудованием  для применения  при длительных переходах по всей площадке ПДК (например гидролокационной съемки  и профилирования  дна, фото обследования, отслеживания и планово-высотного  контроля протяженных объектов типа трубопроводов, измерения физических и химических полей),   и для локальных работ  на компактных отдельных объектах (планово-высотный контроль, детальное фото и видео обследование, выполнение механических работ). При  выполнении программируемых управляемых миссий по всей площадке ПДК, размеры которых, с учетом протяженности подводных трубопроводов по доставке продуктов добычи на берег, могут составлять десятки километров,  АНПА должны обладать средствами точной географической привязки выполняемых работ и получаемых результатов по всему району работы. АНПА с бортовым оборудованием   для   выполнения   локальных работ по отдельным объектам и в их окрестности (например по детальному фото и  видео обследованию объектов и их составных частей, применению контактного измерительного оборудования для технологических операций на объектах), кроме того, должен быть обеспечен средствами прецизионной навигации и высокоскоростного информационного обмена   с удаленным пунктом   с целью реализации супервизорного управления.
Основным навигационным устройством АНПА является бортовая   навигационная система (БАНС) для счисления текущего положения по данным датчиков  курса, скорости и глубины. Для повышения точности счисления используются средства навигационной поддержки. При комплексировании БАНС и внешней, например, гидроакустической навигационной системы (ГАНС), обеспечивается значительное увеличение точности навигации (Агеев М.Д., Касаткин Б.А.,Киселев Л.В., Молоков Ю.Г, Никифоров В.В., Рылов Н.И.   Автоматические подводные аппараты. -  Л., Судостроение, 1981, 223 с.).
Известен способ навигационно-информационной поддержки АНПА (Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы. -  М., Наука, 2005, 398 с.). В известном способе навигационно-информационной поддержки,  основанном на комплексной обработке данных БАНС и ГАНС,  АНПА оснащается БАНС, включающей датчики курса, скорости и глубины, в районе работ выставляется сеть автономных опорных маяков-ответчиков  из состава ГАНС, координаты которых известны на борту  аппарата, и  излучающих навигационные сигналы по запросу  от АНПА.  АНПА оснащается средствами приема, излучения и обработки навигационных сигналов для расчета своих географических координат  по измеренным дальностям от маяков. Диапазон рабочих частот  ГАНС, при которых  размеры его оборудования могут быть размещены на АНПА без существенного влияния на его габариты и автономность, составляет обычно 10-15 кГц, что обеспечивает  дальность действия равную  5-10км,  при этом интегральная оценка точности определения координат достигает 5-10м. Технология решения навигационной задачи включает счисление текущих координат по данным БАНС, излучение с борта АНПА с установленным периодом  сигнала запроса   опорных гидроакустических маяков, и прием их ответов   для расчета  на борту дальностей от маяков по измеренным временам и установленной фиксированной скорости распространения сигналов, комплексирование бортовых и гидроакустических навигационных данных, с коррекцией  накапливающихся ошибок счисления путем   определения положения объекта по измеряемым дальностям от  маяков. Управление АНПА обеспечивается путем интеграции команд управления в структуру навигационных сигналов с использованием специальной антенны, входящей в состав судового оборудования ГАНС.
Недостатками этого способа при применении в задачах мониторинга являются:
-необходимость применения обеспечивающего судна для выполнения работ;
-ограниченный район работы  АНПА из-за его привязки к зоне действия опорных маяков, дальность которых определяется выбранным частотным диапазоном гидроакустического канала связи;
- резкий рост габаритов гидроакустического оборудования,  размещаемого на АНПА для  излучения сигналов запроса маяков  при увеличении дальности действия систем навигации, которое достигается понижением рабочего диапазона частот,
-и соответственно резкое уменьшение пропускной способности канала связи, при понижении рабочего диапазона частот, не обеспечивающей выполнение задач мониторинга,
-недостаточная точность навигации при работе АНПА непосредственно на инспектируемом объекте.
Таким образом, этот способ не обеспечивает навигационно-информационную поддержку по сформулированным выше задачам мониторинга и, кроме того, неприменим в условиях ледового покрытия.
Для задач мониторинга требуется одновременное увеличение дальности действия гидроакустических систем навигационно-информационной поддержки, которое достигается понижением их рабочих частот, а также увеличение скорости информационного обмена, которое достигается увеличением рабочих частот этих систем.
Известен также способ навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата (Патент РФ №2687844 Способ навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата большой автономности, совершающего протяженный подводный переход.,  опубл. 16.05.2019г., бюл. №14), основанный на  применении опорных гидроакустических маяков, реализующих информационный обмен с АНПА по гидроакустическому каналу связи в двух диапазонах, низкочастотном (НЧ) и высокочастотным (ВЧ).
В этом известном способе:
- по трассе движения выставляется  редкая сеть  гидроакустических маяков, которые служат опорными пунктами  для навигационной коррекции и информационного обмена АНПА с удаленным пунктом управления, при этом маяки оснащаются средствами низкочастотной   и высокочастотной   гидроакустической связи и соединяют линиями связи с пунктом управления,
- текущее положение АНПА определяется по данным БАНС,  комплексирование осуществляется эпизодически при выходе АНПА в зону  обсервации  к ближайшему опорному маяку, размер зоны обсервации определяется  дальностью действия маяка в ВЧ диапазоне, а НЧ диапазон служит для получения дальномерных данных, которые используются для выхода АНПА к ближайшему маяку. Накопленные ошибки   счисленных координат корректируют путем их сравнения с расчетными координатами по дальномерным данным   от опорного маяка в ВЧ диапазоне,
- рабочий диапазон ВЧ канала устанавливается условием обеспечения передачи телеметрических данных и приема команд управления  при нахождении АНПА в зоне  обсерваций. При этом не устанавливают ограничений на время информационного обмена.
В этом способе  АНПА  оснащают ВЧ  средствами приема и излучения и НЧ   средствами приема для информационного обмена с опорным маяком, кроме того, АНПА оснащают программными средствами для его бортовой системы управления, реализующими выход АНПА к опорному маяку на основании приема и обработки данных, принятых от опорного маяка в низкочастотном диапазоне.  Выполняют прием команд управления на борту АНПА   переданных от опорного маяка в высокочастотном диапазоне и  выполняют  передачу данных телеметрии  с борта АНПА  на маяк   в высокочастотном диапазоне.
Дополнительно, значения рабочих частот гидроакустических средств информационного обмена в НЧ диапазоне выбирают так, чтобы   дальность их действия  была как минимум вдвое больше  максимальной ошибки счисления координат по данным бортовой навигационной системы  АНПА за период между обсервациями, а значения рабочих частот гидроакустических средств информационного обмена в ВЧ диапазоне выбирают из условия обеспечения пропускной способности канала для передачи небольшого объема  телеметрических данных, формируемых между обсервациями.
Этот  способ навигации по своему функциональному назначению, по своей технической сущности и достигаемому техническому результату  наиболее близок  к заявляемому.
Недостатком известного способа при его применении для АНПА, выполняющего задачи мониторинга по обширной площадке ПДК, является  то, что вне зоны действия высокочастотных средств гидроакустической связи текущее местоположение определяется по данным счисления БАНС с большой ошибкой, значение которой неприемлемо при выполнении непрерывных работ по площадке (например при детальном отслеживании и планово-высотном  контроле протяженных объектов типа трубопроводов ошибка координатной привязки не должна превышать единиц метров, а  ошибка счисления   без коррекции нарастает, как минимум,   со скоростью несколько десятков метров за час. (Автономные необитаемые подводные аппараты / под общ. ред. М.Д. Агеева. Владивосток: Дальнаука, 2000, 272с., с.123)  Другими недостатками известного способа являются отсутствие информационной поддержки по гидроакустическому каналу связи при движении   вне зон обсервации, недостаточная навигационная точность при работе АНПА  на инспектируемом объекте, недостаточная пропускная способность канала ВЧ гидроакустической связи и  большое время передачи больших объемов информации,  например кадров изображения, необходимых для супервизорного управления АНПА при выполнении им технологических операций на объектах,  в режиме реального времени.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа обеспечения навигационно-информационной поддержки  АНПА, совершающего миссии по выполнению широкого круга задач мониторинга на компактных и протяженных объектах ПДК, размещенного на  обширном участке морского  дна, и обеспечивающего    решение задач навигации и информационного обмена с пунктом управления, в том числе  в условиях ледового покрытия.
Задача решается тем, что
в способе навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата выполняющего мониторинг подводного добычного комплекса (ПДК), при котором  расставляют   на площадке размещения ПДК сеть гидроакустических маяков   в точках с известными координатами, соединяют маяки линиями связи с удаленным постом управления и  оснащают их высокочастотными малой дальности действия и  низкочастотными большой дальности действия гидроакустическими приемо-передающими средствами информационного обмена с АНПА, а АНПА также  оснащают ВЧ гидроакустическими средствами приема-передачи и НЧ гидроакустическими средствами приема для информационного обмена с гидроакустическими маяками, затем определяют текущее положение АНПА бортовой  системой счисления, корректируют ошибки счисления на основании расчета координат АНПА по дальномерным данным от маяков,  выполняют прием команд управления от удаленного пункта на борту АНПА  путем приема и обработки данных, переданных от гидроакустического маяка,  выполняют  передачу данных телеметрии на удаленный пункт управления с борта АНПА путем приема и обработки данных, принятых маяком;
- опорные маяки с оборудованием для НЧ и ВЧ гидроакустической связи устанавливают на каждом инспектируемом объекте ПДК и синхронизируют их системой единого времени с АНПА;
- рабочую частоту НЧ оборудования выбирают из условия обеспечения дальности равной размеру района ПДК, а рабочую частоту ВЧ оборудования выбирают из условия обеспечения скорости передачи данных достаточной для передачи кадра видеоизображения в режиме реального времени;
- АНПА оснащают программными средствами для  измерения времени распространения навигационных сигналов в НЧ и ВЧ диапазонах от выставленных маяков и программными средствами для вычисления  значения эффективной скорости  этих сигналов, минимизирующей ошибку   расчета текущих координат по сформированным  дальномерным данным в НЧ диапазоне и обеспечивающих уточнение этих текущих координат  при нахождении АНПА в зоне действия ВЧ, за счет их фильтрации по дальномерным данным ВЧ диапазона.
В этом способе   управление   АНПА, при его нахождении на площадке ПДК, выполняют путем приема и обработки данных, переданных из пункта управления через оборудование опорного маяка в НЧ диапазоне и  обеспечивают  двухсторонний информационный обмен через оборудование маяка  в высокочастотном диапазоне, при нахождении АНПА в окрестности инспектируемого объекта.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое в отличие от прототипа имеет следующие существенные признаки:
Признак: «..опорные маяки с оборудованием для НЧ и ВЧ гидроакустической связи устанавливают на каждом инспектируемом объекте ПДК   …» - обеспечивает на площадке ПДК формирование  обширной сети маяков ГАНС в НЧ диапазоне и обеспечивает возможность высокоскоростной информационной поддержки при работе АНПА на каждом объекте.
Признак : «..опорные маяки с оборудованием для НЧ и ВЧ гидроакустической связи … синхронизируют .. системой единого времени с АНПА …» - обеспечивает возможность измерения времени распространения  в асинхронном режиме, что позволяет применять в НЧ  диапазоне на борту АНПА только аппаратуру приема без громоздкой аппаратуры  излучения.
Признак : «..рабочая частота НЧ оборудования выбирается из условия обеспечения дальности равной размеру района ПДК» - обеспечивает прием НЧ навигационных сигналов борту АНПА от каждого установленного маяка в каждой точке ПДК,  при этом прием  сигналов от трех маяков уже позволяет однозначно определять текущее положение АНПА на всей площадке ПДК, а прием от большего числа маяков используется для повышения точности.
Признак: «рабочая частота ВЧ оборудования выбирается из условия обеспечения скорости передачи данных достаточной для передачи кадра видеоизображения в режиме реального времени» - обеспечивает возможность супервизорного управления подводным аппаратом при выполнении им технологических операций на инспектируемом объекте и используется для дополнительного точного определения дальности АНПА от инспектируемого объекта.
Признак: «АНПА оснащают программными средствами для  измерения времени распространения навигационных сигналов в НЧ и ВЧ диапазонах от выставленных маяков и программными средствами для вычисления  значения эффективной скорости  этих сигналов, минимизирующей ошибку   расчета текущих координат по сформированным  дальномерным данным в НЧ диапазоне…» - обеспечивает реализацию навигационных требований к АНПА, выполняющим мониторинг технического состояния объектов ПДК – высокую точность навигации по площадке ПДК, поскольку при расчете дальностей эффективная скорость сигналов не устанавливается фиксированной, а является параметром расчета  по избыточным дальномерным данным.
Признак: «…АНПА оснащают программными средствами обеспечивающими уточнение этих текущих координат  при нахождении АНПА в зоне действия ВЧ, за счет их фильтрации по дальномерным данным ВЧ диапазона…» - обеспечивает   прецизионную точность на инспектируемом объекте путем  комплексирования данных ГАНС НЧ, БАНС и текущей дальности по ВЧ диапазону. ГАНС НЧ определяет положение АНПА в виде круга, центр которого - расчетная оценка координат, а радиус - ошибка их расчета. При комплексировании этих данных с дальностью от маяка в ВЧ диапазоне положение АНПА определяется областью пересечения этого круга с кольцом, радиус которого - дальность, а ширина кольца – ошибка измерения дальности. С подключением данных БАНС  при движении, например фиксированным курсом и скоростью, счисляется пройденный путь. При этом определяется также изменение текущей дальности по ВЧ диапазону. Отношение изменения дальности к пройденному пути определяет пеленг на АНПА из точки размещения маяка,  за счет этого область нахождения АНПА устанавливается  пересечением упомянутых круга  и кольца в угловом секторе, определяемом значениями пеленга и ошибки его расчета. Легко показать, что если ошибка по ГАНС НЧ составляет 1-3 м, ошибка измерения дальности в ВЧ диапазоне - 0,02 м, ошибка счисления пути по данным датчиков курса и скорости составляет 0,2 м за 10 сек, то АНПА в зоне работы ВЧ оборудования определяет свое местоположение с ошибкой менее 0,1 м.
Технический результат – обеспечение навигационно-информационной поддержки  АНПА, выполняющего мониторинг подводного добычного комплекса, достигается за счет размещения сети опорных маяков, работающих в двух частотных диапазонах, на каждом инспектируемом объекте ПДК, алгоритмами обработки навигационных сигналов,  обеспечивающими ошибку навигационной привязки работ по площадке ПДК не более 1-3 м и ошибку в окрестности инспектируемых объектов менее 0,1 м, а также применением ВЧ оборудования гидроакустической связи обеспечивающего возможность супервизорного управления АНПА при выполнении работ на объектах.
Совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. На основании изложенного можно заключить, что заявленное техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем, т.к. явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.
Способ реализуется следующим образом.
АНПА, выполняющий мониторинг подводного добычного комплекса  с расширенным составом измерительного бортового оборудования, включающим оборудование для работы по всей площадке ПДК и оборудование для выполнения технологических операций на инспектируемых объектах, может быть размещен в составе станции подводного базирования, установленной на площадке ПДК, в том числе и в условиях ледового покрытия.
АНПА, после получения задания на выполнение работ мониторинга, перемещается по площадке ПДК и принимает навигационные сигналы  в НЧ диапазоне от установленных маяков  в общей с маяками системе единого времени и определяет время распространения от каждого маяка. При приеме сигналов от трех и более маяков избыточные данные позволяют установить усредненную эффективную скорость (Матвиенко Ю.В., Ваулин Ю.В., Каморный А.В. Градуировка навигационных средств подводных роботов//Подводные исследования и робототехника.2015, №1(19),с.16-23) распространения навигационных  сигналов и с большей точностью рассчитать дальности от маяков, а затем определить текущие координаты АНПА. Кроме того, в составе НЧ навигационных сигналов с использованием известных методов кодирования передаются при необходимости команды управления ходом работ из удаленного (берегового)  пункта. При выполнении работ по площадке ПДК работа измерительного оборудования становится жестко привязанной ко времени и географическим координатам, что позволяет выполнять работы по контролю состояния протяженных и компактных объектов, измерения физических и химических полей, гидролокационную съемку рельефа и профилирование донной структуры и другие работы на всей площадке ПДК.
Для  выполнения сложных технологических операций непосредственно на инспектируемом объекте и в его ближайшей окрестности   АНПА, находясь  в зоне действия ВЧ оборудования,  использует двухсторонний информационный обмен в ВЧ диапазоне.  Алгоритм решения навигационной задачи по дальномерным данным НЧ диапазона дополняется измерениями текущей дальности АНПА от этого маяка в ВЧ диапазоне, что обеспечивает  повышение точности навигации на этом объекте за счет фильтрации координат, полученных по данным НЧ диапазона.    Например, если рабочая частота ВЧ  диапазона составляет 500 кГц, то при нахождении  АНПА в окрестности маяка радиусом  менее 10 м,  в ВЧ диапазоне реализуется измерение дальности с ошибкой единицы см. Комплексирование данных БАНС, ГАНС в НЧ диапазоне и дальномерных данных в ВЧ диапазоне позволяет достичь прецизионной навигации (с интегральной ошибкой навигации менее 0,1 м) на инспектируемом объекте.
Высокая частота ВЧ оборудования также позволяет значительно увеличить пропускную способность этого канала связи  (например, при частоте 500 кГц и полосе 100 кГц  скорость передачи по гидроакустическому каналу может составлять  более 100 кбит/сек) и обеспечить передачу кадров фото или видео изображения с борта АНПА в пункт управления в режиме реального времени, обеспечивая супервизорное управления необходимыми технологическими операциями.