МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ АВТОНОМНАЯ СТАНЦИЯ

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.
Основные принципы построения автономных станций, 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. Донная автономная станция, принятая в качестве прототипа, оснащена одиночным гидрофоном и вертикальной многоэлементной гирляндой гидрофонов, многоканальной 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.
-8
Предлагаемая полезная модель донной многофункциональной гидрофизической автономной станции (МГАС) предназначена для измерения и регистрации, в автономном режиме на глубинах до 6000 м, гидрофизической информации на цифровые накопители. Установка МГАС на дно обеспечивается свободным погружением с помощью балласта на гайдропе и всплытие на поверхность за счет положительной плавучести прочного несущего корпуса при отделении балласта. МГАС могут работать в комплекте, синхронном режиме, до 15 станции, при этом обеспечивается независимое управление по гидроакустическому каналу связи. После постановки на дно осуществляется автономное измерение взаимной дистанции с помощью системы измерения дистанции (СИД) с погрешностью измерения не превышающей ±6 м. При синхронной работе нескольких МГАС, привязка текущего времени нескольких МГАС и судовой аппаратуры осуществляется системой единого времени (СЕВ) применяющей высокостабильные генераторы с погрешностью не хуже 5*10. Таким образом, СИД и СЕВ позволяет использовать систему, состоящую из множества МГАС, как пространственно - разнесенную антенную систему.
Для учета гидрологической обстановки района во время работы МГАС станции оснащаются датчиками глубины, температуры, скорости распространения звука с микропроцессорной системой сбора и обработки гидрологической информации,
которая измеряет и заносит в автономную память (флэш - карта) профиль скорости звука во время погружения и всплытия станции.
МГАС обеспечивает усиление, фильтрацию, оцифровку, предварительную обработку и регистрацию на цифровой накопитель гидроакустической информации с вертикальной 8-элементной гирлянды гидрофонов или с одиночного гидрофона установленного на корпусе станции.
МГАС имеет два режима (варианта) использования: в первом варианте прием информации осуществляется гирляндой гидрофонов, а во втором - одиночным гидрофоном.
МГАС состоит из аппаратурного модуля, системой определения местоположения МГАС и передачи оперативной гидрофизической информации на поверхности моря, системой освобождения от балласта, системой определения дистанции между МГАС, гидроакустической командной системой и системой регистрации, предварительной обработки и накопления гидрофизической информации.
Сущность предлагаемой полезной модели МГАС заключается в конструктивной реализации известных принципов построения автономных станции.
Автономная многофункциональная гидрофизическая автономная станция представляет собой (фиг.1): глубоководный (рабочая глубина до 6000 м) 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, 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 одиночный гидрофон (ОГ) 10, 8-элеиентная гирлянда гидрофонов (ГГ) 4, гидрофоны гирлянды связаны между собой кабель - тросом 7, гирлянда вытягивается в «линейку» с помощью поплавка 21, ресивер высокочастотный (приемопередающее гидроакустическое устройство) 11, предназначенный для гидроакустической командной системы (ГАКС), датчик давления (ДД) 14, определяющий текущую глубину погружения станции, антенна радиолокационного отражателя и радиопередатчика (РА) 12, проблесковый маяк (ПМ) 13, антенна абонентского терминала спутниковой системы связи «Гонец» (ССС) 30 с космической навигационной системой «ГЛОНАСС» (СРНС) 15. За нижнюю полусферу крепится исполнительная часть размыкателя 6, который связан с балластом 8 посредством гайдропа (троса) 6-8.
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 блок управления исполнительным механизмом (УИМ) размыкателя) (поз.34 на фиг.4).
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.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 которой 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) 32 (фиг.4) и модуля системы измерения дистанции (СИД) 33 (фиг.4) предназначенный для:
- приема гидроакустических команд и передачи их в ПУ 29;
- формирования сигналов ответа в режиме измерения наклонной дальности до МГАС на обеспечивающий корабль;
- приема сигнала запроса системы измерения дистанции на частоте 7 кГц и формирования сигнала ответа.
ГАКС позволяет:
- передавать с обеспечивающего судна на МГАС команды управления;
- передавать из МГАС на судовой приемно-обрабатывающий комплекс (СПОК) «квитанцию» о приеме и исполнении на донной станции команд управления;
- передавать из МГАС на СПОК (по запросу) цифровую информацию о зарегистрированных сигналах;
- передавать из МГАС на СПОК телеметрическую информацию о работе системы и узлов МГАС и исполнении принятых команд;
- определять наклонную дальность между судном и МГАС при любом обмене сигналами между ними;
- осуществлять поиск и определять местоположение МГАС на дне относительно судна;
- переводить МГАС в режим гидроакустического маяка по команде с судна;
- передавать на судно об обнаруженных сбоях в аппаратуре ГАКС.
Характеристики сигналов обмена между СПОК и МГАС:
- обмен сигналами между судном и МГАС 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 МГАС - кодовое;
- количество команд управления, передаваемых на каждую МГАС - до 31;
- команды управления выдаются в блок программного управления и накопления МГАС в виде 16-разрядных слов;
- количество квитанций, передаваемых из МГАС 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 информации (фиг.3):
- приема сигналов от одиночного гидрофона 10 и от 8-элементной эквидистантной гирлянды гидрофонов 4;
- предварительной обработки зарегистрированной информации фильтром - усилителем 24, 23;
- аналого-цифрового преобразования информации 25;
- 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 250 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 (современные HDD имеют емкость более 100 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 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 себя 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 МГАС 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 УИМ 34 на сброс балласта. При превышении данных с ДД 14 предельной величины, например 6000 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 УИМ 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 МГАС опускается с обеспечивающего судна за борт с помощью бортового крана. С этого момента МГАС осуществляет
погружение со средней скоростью 1.5-1.6 м/с. Герметичный контейнер НА 1 (фиг.1), выполненный из алюминиевых сплавов, имеющий предельную рабочую глубину 6000 м, производит «мягкое» придонение с помощью гайдропа 6-8 на дно. После придонения МГАС по программе с ПУ 29 или по команде с ГАКС 32 производит измерение дистанции между станциями с помощью СИД 33. Далее по программе с ПУ 29 производится регистрация и накопление информации на НИ 35 с 8-элементной гирлянды гидрофонов 4 (вариант №1) или с одиночного гидрофона 10 (вариант №2).
В моменты погружения и всплытия МГАС производится съем вертикального разреза поля скорости распространения скорости звука, после придонения станции могут быть проведены регистрации полей температуры и скорости течения в придонных слоях.
При приеме с обеспечивающего судна команд на блок ГАКС 32 по гидроакустическому каналу связи, эти команды исполняются ПУ 29. После завершения программы работ, заложенной в ПУ 29, программное устройство по программе либо по команде ГАКС 32 дает команду УИМ 34 на отдачу балласта. В случае не прохождения команды, команда на сброс непосредственно ИМР 6 может быть продублирована с автономного прибора срочности 9. Экстренное всплытие МГАС 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.
В момент отдачи балласта начинает разворачиваться поплавок 22 прикрепленный на нижней части герметичного контейнера. Поплавок 22 с намотанным пропиленовым фалом (длина фала 15 метров) предназначен для выборки станции на борт обеспечивающего судна. 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 после постановочных тестов, далее открывают станцию и осуществляют выемку НИ 24 с целью проведения обработки данных.
го
го
го
В качестве примера приведена интерференционная структура широкополосного сигнала (фиг.5) принятого с помощью 1, 4 и 8 элементов гирлянды гидрофонов МГАС.