АВТОНОМНАЯ ПОЗИЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Заявляемая полезная модель относится к морской технике и может быть использована для организации мониторинга гидрофизических, гидробиологических и экологических параметров водной среды, как морских, так и океанических акваторий.
Одной из важных составных частей организации мониторинга гидрофизических, гидробиологических и экологических параметров морских и океанических акваторий является создание и внедрение комплекса современных технических средств измерения и контроля водной среды. При этом следует принимать во внимание значительные финансовые затраты на проведение обширных измерений. Положительную роль в организации мониторинга водной среды, как по площади охвата, так и по глубине могут сыграть автономные позиционные станции зондирования водной среды.
Автономная позиционная станция зондирования водной среды (АПС) является комплексом современных технических средств измерения и контроля водной среды и предназначена для организации мероприятий по определению параметров в автоматизированном режиме (в соответствии с заданной комплектацией датчиков) водной среды на различных глубинах (горизонтах) в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов в режиме реального времени («on-line») и передачи полученных результатов по различным видам каналам связи в центр сбора и обработки информации.
Известен океанофизический зонд, который циркулирует по тросу между притопленным на поверхности океана буем и лежащим на дне балластным грузом. На тросе расположены концевые устройства и перемещающийся зонд из прочного корпуса с датчиками измеряемых параметров, устройством обработки, устройством гидроакустической связи, источником питания, приводом и плавучестью. Особенностью зонда является выполнение плавучести в виде обтекаемого вертикального крыла, внутри которого находится механизм привода, трос пропущен через центр прочного корпуса, на проставке которого закреплены первичные датчики, на тросе расположены маркерные метки, а устройство обработки снабжено датчиком магнитной ориентации и магнитным ключом. Техническим результатом является выполнение плавучести в виде обтекаемого вертикального крыла, позволяющего одновременно решить задачу уменьшения нагрузки, создаваемой на трос прочным корпусом с расположенной в нем аппаратурой, и стабилизировать положение первичных датчиков относительно горизонтального течения [1].
По причине конструктивных недостатков и высокой стоимостью, а также особенностями использования зонда вышеописанное техническое решение не позволяет решать задачи по исследованию гидрофизических параметров водной среды на разных глубинах и в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов в режиме реального времени («on-line»), отсутствует система диагностики элементов устройства в целом.
Известен способ экологического контроля загрязнений водной среды, донных отложений и атмосферы вдоль трассы магистральных трубопроводов, уложенных на дне водоемов, заключающийся в размещении устройств регистрации в природной среде на нескольких горизонтах, регистрации сигналов гидрофизических полей с последующим хемилюминесцентным, хроматографическим, ионоселективным, спектральным и радиометрическим анализом пробоотборов воды, грунта и воздуха, и обработкой информации с последующей передачей на устройства документирования, отличающийся тем, что дополнительно измеряют временные вариации горизонтальных и вертикальных компонент вектора гидрофизического и геофизического полей в контролируемом регионе в разнесенных пунктах, при этом возбуждают маломодовые импульсы подсветки, соответствующие слабозатухающим низкомерным модам мелководного моря, регистрируют возникающие из-за дифракции импульсные сигналы других мод, разнесенных с излучаемыми модами по модовому спектру, при этом излученная мода не принимается, а модовые импульсы выделяются на фоне аддитивных шумов и реверберации, регистрируют сигналы акустического импеданса донных слоев, выполняют детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды, при последующем анализе дополнительно определяют содержание синтетических поверхностно-активных веществ в водной среде путем атомно-абсорбционной спектрофотометрии, концентрации хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона [2].
Основным недостатком предложенного способа является недостаточная надежность получения оперативной информации полученных результатов измерения водной среды, а также невозможность исследования гидрофизических параметров на разных горизонтах и в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов в режиме реального времени («on-line»), отсутствует система диагностики элементов устройства в целом.
Известна система всплытия-погружения автономной позиционной станции (АПС) для зондирования водной среды по глубине, состоящая из электролебедки, закрепленной на станции, с реверсивным электромотором, а также буя с тросом, отличающаяся тем, что система снабжена роликами для размещения необходимого минимального числа витков плавучего троса, обеспечивающих отсутствие пробуксовки троса и постоянного натяжения троса, создаваемого его положительной плавучестью и гидродинамическим сопротивлением буя, при этом один конец плавучего троса крепится к якорю, другой - к бую, а один из роликов с реверсивным электромотором и редуктором закреплены на позиционной станции. Система состоит из роликов, на которые намотан плавучий трос, один конец троса крепится к бую, другой - к якорю, причем один из роликов соединен с редуктором реверсивного электромотора. При вращении ролика электромотором происходит перематывание троса. Так как система всплытия-погружения закреплена на станции, станция начинает перемещаться, при этом отсутствие пробуксовки и самосматывания достигается за счет размещения необходимого числа витков троса на роликах и постоянного натяжения троса, создаваемого его положительной плавучестью и гидродинамическим сопротивлением буя [3].
Однако в связи с конструктивными недостатками автономной позиционной станции и особенностями ее использования решение задачи контроля гидрофизических параметров на разных горизонтах и в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов в режиме реального времени («on-line») не представляется возможным, отсутствует система диагностики элементов устройства в целом.
Известна автономная позиционная гидрофизическая станция (АПГС), которая оснащена гидрофизическими датчиками (до 8 датчиков), многоканальной цифровой системой регистрации и накопления информации, телеметрической гидроакустической системой связи, системой поиска станции на поверхности моря, системой освобождения от кабельной станции, играющей в данной ситуации роль якоря-балласта и устройством программного управления режимами работы [4].
В следствии конструктивных особенностей станции использование данного результата невозможно.
Известна автономная позиционная гидрофизическая станция для зондирования водной среды по глубине содержащая: носитель аппаратуры с комплектом измерительных модулей, систему приема-передачи информации, выполненной с аппаратурой радиосвязи, бортовую систему управления, систему электропитания, систему всплытия и погружения, лебедку с источником питания в виде моноблока, которые крепятся за раму, поплавки из синтактических материалов (для дополнительной плавучести) и гидроакустическую командную систему, для управления перемещением станции [5].
Недостатком данной станции является то, что конструктивное решение данной станции не позволяет производить измерения на глубинах свыше 1000 м., а также осуществлять прием и передачу информации о параметрах водной среды в центр сбора и обработки информации в режиме реального времени («on-line») в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов, отсутствует система диагностики элементов устройства в целом.
Автономная позиционная станция для зондирования водной среды по глубине, содержащая контейнер с комплектом измерительных модулей, системой приема - передачи информации, выполненной с аппаратурой радиосвязи, бортовой системой управления, системой электропитания, системой всплытия погружения, выполненной с лебедкой, а также буйреп, соединенный одним своим концом с якорем, снабжена балластными грузами для дифферентовки и установленной на контейнере полой штангой, через которую пропущен буйреп, соединенный вторым своим концом с лебедкой системы всплытия-погружения, а система приема-передачи информации снабжена аппаратурой гидроакустической связи [6].
Отличительными особенностями данной автономной позиционной станции является упрощение ее конструкции и возможность передачи информации в сложных гидрометеорологических условиях.
Недостатками аналога является:
- использование одной зондирующей станции;
- для передачи информации о проведенном зондировании параметров водной среды, станции необходимо всплыть на поверхность исследуемой акватории;
- станция не позволяет производить измерения на глубинах свыше 1000 м;
- в подводном состоянии автономной позиционной станции отсутствует возможность приема и передачи информации параметров водной среды на посты мониторинга в режиме реального времени, т.е. в режиме «on-line»;
- отсутствие возможности установки на зондирующую станцию дополнительных датчиков;
- утяжеление всей конструкции за счет включенных в состав грузов для дифферентовки станции;
- АПС не содержит средств позволяющих производить диагностику элементов входящих в состав зондирующей станции;
- зондирующая станция выполнена в единой конструктивной форме и не обеспечивает взаимозаменяемость однотипных съемных конструкций, требующих замены в процессе эксплуатации модулей станции для эффективного использования;
- не содержит возможности подавать команды на зондирующие станции: «контроль состояния», «старт», «стоп»;
- не содержит возможности принимать от зондирующих станций формуляры, представлять их в виде таблиц и хранить как в памяти компьютера, так и в памяти периферийных устройств (например, посредством сервера, выносного жесткого диска, SD-карты);
Задачей предполагаемого технического решения является устранение вышеперечисленных недостатков автономных позиционных станций, обеспечение возможности автоматически производить измерения зондирующими станциями на глубинах свыше 1000 м, а также осуществление приема-передачи информации режимов работы зондирующих станций и информации о параметрах водной среды с зондирующих станций на стационарные и мобильные пункты приема-передачи информации центра сбора и обработки информации в режиме реального времени («on-line») в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей и повышение надежности автономных позиционных станций зондирования водной среды в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов.
Заявляемая автономная позиционная станция зондирования водной среды содержащая n+1 зондирующих станций выполненных в модульном исполнении, позволяет осуществлять доступ к каждому отдельному модулю в разных условиях ее применения, а также осуществлять оперативный и непрерывный анализ и определение заданных параметров водной среды на различных глубинах и последующую передачу полученных результатов в режиме “online» по гидроакустическому каналу связи, или по радиоканалу, или по спутниковому каналу связи, или использованием их комбинацией в центр сбора и обработки информации в автоматическом режиме.
Сущность предполагаемой полезной модели заключается в следующем.
Автономная позиционная станция зондирования водной среды водной среды, характеризующаяся тем, что в своем составе содержит центр сбора и обработки информации и зондирующую станцию, в состав которой входит комплект измерительных модулей, система приема-передачи информации, выполненная с аппаратурой радиосвязи, бортовая система управления, система электропитания, система всплытия и погружения.
Особенностью заявляемой автономной позиционной станции зондирования водной среды является то, что центр сбора и обработки информации содержит n+1 береговых и/или судовых постов приема-передачи информации, а также n+1 зондирующих станций, выполненных в модульном исполнении, причем, каждая зондирующая станция содержит аппаратурный модуль, входящий в систему приема-передачи информации и содержащий систему диагностики измерительных датчиков и источников питания микроконтроллерного управления, модуль электропитания, входящий в систему электропитания, n+1 измерительных датчиков, систему обнаружения.
Показатель n является числовым значением и характеризует количественный состав используемых элементов.
Центр сбора и обработки информации состоит из береговых и судовых постов приема-передачи информации, выполненных в стационарном и/или мобильном исполнении.
Береговые посты приема-передачи информации могут быть выполнены на базе колесной или гусеничной техники, на шасси автомобилей повышенной проходимости (например, КАМАЗ или УРАЛ), включая шасси автомобильного прицепа с дизельными агрегатами энергоснабжения. В стационарном исполнении береговые посты приема-передачи информации могут быть выполнены на базе временных или постоянных сооружений. Судовые посты приема-передачи информации могут быть выполнены на базе любого надводного или подводного средства, включая заякоренные (например, судно, лодка, катер, буксир, понтон, баржа, глубоководный аппарат) или любые стационарные объекты (площадки на сваях, донные станции).
Каждый пост приема-передачи информации центра сбора и обработки информации содержит, по меньшей мере, одну электронно-вычислительную машину с периферийными устройствами, оснащенную специализированным программным обеспечением, по меньшей мере, одну антенну, систему приема-передачи информации, устройство хранения информации и источник питания.
Управление работой станции производится с помощью компьютера, соединенного с радиомодемом через СОМ порт. Для этого в компьютер загружается программа «Экозонд-терминал», работающая под ОС «Windows».
Программа «Экозонд - терминал» позволяет:
- заносить в зондирующие станции рабочую программу;
- считывать записанную ранее программу;
- тестировать техническое состояние зондирующих станций перед постановкой;
- заносить в микроконтроллеры зондирующих станций текущее время с электронно-вычислительной машины (например, ноутбук, компьютер) пункта приема-передачи информации;
- считывать с микроконтроллеров зондирующих станций текущее время;
- подавать команды на зондирующие станции: «контроль состояния», «старт», «стоп»;
- принимать от зондирующих станций формуляры, представлять их в виде таблиц и хранить как в памяти компьютера, так и в памяти периферийных устройств (например, посредством сервера, выносного жесткого диска, SD-карты);
- визуализировать, а также воспроизводить звуковые сигналы оповещения в режиме диагностики систем и устройств и при аварийном всплытии зондирующей станции (монитор, аудиосистемы);
Разработка программы для компьютера пункта приема передачи информации была выполнена на языке объектно-ориентированного программирования Delphi. В качестве среды разработки использовалась программа Embarcadero Delphi 2010 компании Embarcadero Technologies.
Центр сбора и обработки информации содержит устройство сопряжения с глобальной информационной сетью, которое соединено посредством системы приема-передачи информации, по меньшей мере, с одной электронно-вычислительной машиной и обеспечивает авторизированный доступ к данным измерений удаленных пользователей.
Полученная информация с каждой зондирующей станции передается на электронно-вычислительную машину поста приема-передачи информации, где происходит анализ, обработка, вывод и хранение. Передача информации на любой другой удаленный терминал осуществляется по доступному каналу связи системы приема-передачи информации.
Использование n+1 зондирующих станций и установка таких станций на наиболее опасных направлениях возможного распространения радиоактивных или других видов загрязнений позволяет создавать рубежи контроля состояния водной среды (в зависимости от морских течений на разных глубинах, направлений ветра и т.д.). Центр сбора и обработки информации может размещаться на берегу или в зоне водной среды передавать управляющие команды используемым зондирующим станциям, а также принимать, обрабатывать, и хранить и передавать информацию от нескольких десятков зондирующих станций. Оперативно развернутая группа таких станций, оборудованных необходимыми измерительными датчиками, может давать объемную информацию о состоянии исследуемого неограниченного участка акватории моря или океана, работая в автономном режиме в течение многих месяцев.
Каждая из используемых зондирующих станций содержит n+1 измерительных датчиков, которые в зависимости от функционального предназначения целей и задач мониторинга водной среды могут определять следующие гидрофизические параметры водной среды:
- гамма-излучение;
- температуру;
- давление;
- кислород;
- скорость звука;
- электропроводность;
- скорость течения;
- хролофилл;
- растворенная органика;
- растворенные нефтепродукты;
- фенол, формальдегид;
- ионы (хлориды, фторида аммония, меди, марганца);
- мутность;
- и т.д.
Аппаратурный модуль содержит, по меньшей мере, одну антенну связи с герметичным электроразъемом, по меньшей мере, один измерительный датчик, блок управления бортовой системы управления, который, в свою очередь, содержит управляющие микроконтроллеры с разделением функций управления и, одно устройство приема-передачи информации, включающее гидрофон, радиомодем, устройство хранения информации и часы реального времени;
Блок управления бортовой системы управления с управляющими микроконтроллерами и составными элементами размещены в модуле аппаратурном. Вследствие большого объема модуля аппаратурного, он служит также и поплавком, стабилизируя станцию в вертикальном положении и придавая ей положительную плавучесть.
Для уменьшения энергопотребления станции применено разделение функций между управляющими микроконтроллерами. После включения питания станции напряжение подается только на управляющий микроконтроллер MSP430AFE253 со сверхнизким энергопотреблением, который управляет ключами питания микроконтроллера Stellaris LM3S9B92, согласно заложенной программе. В свою очередь управляющий микроконтроллер Stellaris LM3S9B92 работает по своей программе, взаимодействуя с другими электронными компонентами зондирующей станции.
На постоянно работающий управляющий микроконтроллер MSP430AFE253, со сверхнизким энергопотреблением, возложены функции управления лебедкой, контроль датчика напряжения, датчика герметичности, измерение глубины с помощью штатного датчика давления, управления ключами питания. Контроль времени осуществляется с помощью часов реального времени PCF8583, которые формируют секундный импульс и отвечают за сохранение времени.
Управляющий микроконтроллер Stellaris LM3S9B92 отвечает за контроль датчика тока, управление ключами питания, запись данных с измерительных датчиков и чтение данных с встроенного накопителя информации (например, SD карты памяти), общение с радиомодемом (УКВ, KB диапазона) и навигационным двухсистеммным ГРОНАСС/GPS приемником, чтение и запись времени в микросхему часов реального времени.
Микроконтроллер ATXMEGA128A1, имеющий 6 портов RS-232, 6 аналоговых и 2 частотных входа служит для сбора и форматирования данных с измерительных датчиков, предусмотрено увеличение используемых портов.
Разработка программы для микроконтроллера зондирующей станции была выполнена на языке программирования C++. В качестве среды разработки использовалась программа AVR Studio 4.14 компании Atmel Corporation и программа WinAVR версии 20080610 (оба программных продукта распространяются бесплатно и не требуют регистрации).
Используемый радиомодем зондирующей станции Datatech ZRT 470TR-5 работает на частоте 433,92 МГц, специально выделенной регламентом радиосвязи для передачи данных без получения разрешения на использование частот. Излучаемая мощность программируемая, до 5 Вт, скорость передачи данных до 9600 bps.
Зондирующая станция содержит антенну связи (УКВ-диапазона), которая является доработанным техническим решением всенаправленной антенны БЕСТЕР К 2-430 с коэффициентом усиления 5,4 дБ. Одним из признаков доработки является обеспечение герметичности каждой из используемых антенн (использование герметичного электроразъема, расположенного на верхней крышке аппаратурного модуля).
Устройство хранения информации представляет собой устройство хранения информации (например, выносной жесткий диск, флешка, SD-карта).
На станцию могут быть установлены следующие измерительные датчики:
- датчик течения Doppler Current Sensor 4420;
- датчик давления Pressure Sensor 4117;
- датчик температуры Temperature Sensor 4060;
- датчик кислорода Oxygen Optode 3830;
- датчик для определения нефтепродуктов в воде FP 360 sc;
- гамма-спектрометр СЕГ-01 ГР;
- и т.д.
Все измерительные датчики имеют цифровой выход RS-232.
Аппаратурный модуль, по меньшей мере, одной зондирующей станции содержит навигационный двухсистеммный ГЛОНАСС/GPS приемник с антенной. Навигационный двухсистеммный ГЛОНАСС/GPS приемник с антенной осуществляет определение текущих координат используемых зондирующих станций с последующей передачей этих данных на пост приема-передачи информации центра сбора и обработки информации.
Центр сбора и обработки информации и, по меньшей мере, одна зондирующая станция взаимосвязаны между собой посредством системы приема-передачи информации.
Система приема-передачи информации представляет собой устройство приема-передачи информации по гидроакустическому каналу связи, или по радиоканалу, или по спутниковому каналу связи, или их комбинацией.
Для размещения измерительных датчиков, модули аппаратурный и электропитания разнесены относительно друг друга с помощью стоек, образуя пространство для крепления датчиков.
Аппаратурный модуль и модуль электропитания выполнены цилиндрической формы и являются герметичными.
Корпуса аппаратурного и модуля электропитания выполнены цилиндрической формы с целью простоты в изготовлении и способны выдержать высокое гидростатическое давление (до 10000 psi, или до 700 атм.), а также для эффективного использования рабочих емкостей, в которых содержатся элементы модулей, которые в свою очередь имеют возможность установки их по секциям (отделениям) и обладают свободным доступом и взаимозаменяемостью.
Например, фирмой SUBER Oceanology (Франция) разработаны целые модули из таких корпусов, которые представляют собой гирлянды соединенных между собой цилиндров (от 600 мм. до 1000 мм.) [7].
Корпуса аппаратурного модуля и модуля электропитания выполнены из полиацеталя. Этот полимер обладает хорошими механическими свойствами, инертен по отношению к воде и имеет практически нулевое водопоглощение.
Модуль электропитания содержит компенсирующий поплавок, выполненный в виде охватывающей конструкции.
Модуль электропитания включает литиевые батареи, по меньшей мере, один измерительный датчик и микроконтроллер управления электроприводом лебедки.
Так как гамма-спектрометр и датчик определения нефтепродуктов в воде имеют значительные габаритные размеры и отрицательную плавучесть, принято решение эти датчики установить в компенсирующем поплавке, который охватывает модуль электропитания.
В качестве источника питания модуля электропитания используются две литиевые батареи ТХЛ-185, соединенные параллельно. Начальное напряжение батареи - 25,5 В, конечное - 19 В, электрическая плотность - 1900 Вт*ч. Масса батареи - 5,5 кг. В модуле электропитания также находится микроконтроллер управления электроприводом лебедки. Для контроля затекания воды, в модулях имеются датчики затекания, подключенные к управляющим микроконтроллерам.
Для обеспечения свободного всплытия зондирующая станция имеет расчетную положительную плавучесть 5 кг.
Система всплытия и погружения содержит мотор-редуктор, магнитную муфту, электропривод, лебедку с тросом, причем верхний конец троса намотан на барабан лебедки, а нижний конец крепится к якорю-балласту, причем, лебедка состоит из барабана и тросоукладчика, связанных опорными площадками и стержнями.
Лебедка состоит из барабана и тросоукладчика, связанных опорными площадками и стержнями. В барабане размещен привод лебедки, состоящий из мотор-редуктора GP 42 производства MAXON MOTOR с электромагнитным нормально замкнутым тормозом, механизма свободного хода и магнитной муфты для передачи вращающего момента через герметичный корпус на барабан.
Система обнаружения при всплытии зондирующей станции содержит звуковоспроизводящие, радио и оптические средства (например, радиомаяк с проблесковым маячком).
Конструктивное решение, при котором зондирующая станция автономной позиционной станции зондирования водной среды выполнена с океаническим буем, позволяет осуществлять перемещение по силовому тросу, соединяющему буй с балластным грузом, на необходимые глубины, только измерительного модуля, посредством механизма привода.
Данная зондирующая станция автономной позиционной станции зондирования водной среды содержит: океанический буй, силовой трос, измерительный модуль с механизмом привода, вьюшку, и балластный груз, соединенный с гидроакустическим размыкателем и систему обнаружения.
Океанический буй включает в своем составе систему обнаружения (например, проблесковый радиомаяк), а также содержит, по меньшей мере, одну антенну связи с герметичным электроразъемом и/или навигационный двухсистеммный ГЛОНАСС/GPS приемник с антенной, причем корпус верхней части океанического буя выполнен конусообразной формы из радиопрозрачного материала.
Использование радиопрозрачного материала (конструкционный, неоднородный диэлектрик) с однослойной или многослойной структурой, позволяет сохранить амплитуду и фазу проходящей сквозь них электромагнитной волны радиочастотного диапазона.
Измерительный модуль содержит аппаратурный модуль, модуль электропитания и механизм привода.
Корпус измерительного модуля выполнен из полиацеталя.
Аппаратурный модуль измерительного модуля содержит, по меньшей мере, один измерительный датчик, блок управления бортовой системы управления, который, в свою очередь, содержит управляющие микроконтроллеры с разделением функций управления и, по меньшей мере, одно устройство приема-передачи информации, включающее радиомодем, устройство хранения информации, гидрофон и часы реального времени.
Модуль электропитания измерительного модуля включает, по меньшей мере, один измерительный датчик и микроконтроллер управления механизмом привода измерительного модуля.
Центр сбора и обработки информации и, по меньшей мере, одна зондирующая станция взаимосвязаны между собой посредством системы приема-передачи информации.
Система приема-передачи информации представляет собой устройство приема-передачи информации по гидроакустическому каналу связи, или по радиоканалу, или по спутниковому каналу связи, или их комбинацией.
Система обнаружения при всплытии зондирующей станции содержит звуковоспроизводящие, радио и оптические средства (например, радиомаяк с проблесковым маячком).
Предполагаемая полезная модель поясняется рисунками.
На Фиг.1 показан состав автономной позиционной станции зондирования водной среды:
1 - участок суши;
2 - зона неограниченной исследуемой акватории моря или океана;
3 - центр сбора и обработки информации;
4 - зона, содержащая n+1 береговых постов приема-передачи информации;
5 - зона, содержащая n+1 судовых постов приема-передачи информации;
6 - один из береговых стационарных или мобильных береговых постов приема-передачи информации;
7 - один из судовых стационарных или мобильных постов приема-передачи информации;
8 - одна из используемых зондирующих станций.
На Фиг.2 показан состав одной из используемых зондирующих станций автономной позиционной станции зондирования водной среды:
9 - аппаратурный модуль;
10 - модуль электропитания;
11 - n+1 измерительных датчиков;
12 - одна из используемых антенн связи;
13 - компенсирующий поплавок;
14 - якорь-балласт;
На Фиг.3 показан состав одной из используемых зондирующих станций автономной позиционной станции зондирования водной среды с океаническим буем:
15 - океанический буй;
16 - силовой трос;
17 - измерительный модуль;
18 - вьюшка;
19 - балластный груз;
20 - гидроакустический размыкатель;
21 - одна из используемых антенн связи;
22 - навигационный двухсистеммный ГЛОНАСС/GPS приемник с антенной;
23 - корпус океанического буя;
24 - аппаратурный модуль;
25 - модуль электропитания.
На Фиг.4, 5 представлены электрические схемы компонентов зондирующей станции.
На Фиг.6 представлен алгоритм рабочего режима программы одной из используемых зондирующих станций.
На Фиг.7 представлен алгоритм режима программы в ходе постоянного опроса датчиков напряжения, тока, и затекания для контроля возникновения аварийных ситуаций зондирующей станции.
На Фиг.8 представлен алгоритм режима программы в случае аварийной ситуации (прерывание рабочего режима программы и аварийное всплытие зондирующей станции).
На Фиг.9 представлена организация приема-передачи информации автономной позиционной станции зондирования водной среды.
Автономной позиционная станция зондирования водной среды в предполагаемом техническом решении работает следующим образом.
Работа с программой осуществляется посредством специализированного программного обеспечения и представляет собой визуализацию состояния и режимов работы зондирующей станции (8) с экрана монитора электронно-вычислительной машины, а также осуществление управляющих команд манипулятором (компьютерной мышью) в одном из трех рабочих окон.
В первом окне «СОМ» можно выбрать номер СОМ порта и его скорость для общения с зондирующей станцией (8), а так же открыть и закрыть соединение.
Во втором окне «Работа со станцией» расположены следующие кнопки:
- «загрузка программы»;
- «занесение времени»;
- «контроль состояния»;
- «тестирование»;
- «старт»;
- «стоп»;
- «разблокировать трос»;
- «намотать трос» и «Автоматическая остановка».
Кнопка «Загрузка программы» вызывает окно «Редактировать, установить параметры». Это окно предназначено для составления, редактирования, записи и чтения рабочей программы зондирующей станции (8). Программируются все времена измерительных галсов (режимов), время выдержки станции (8) на горизонте перед началом измерений, горизонты измерений, уровень парковки и №галса для сеанса связи. Заданные параметры можно сохранять в создаваемых файлах и можно записывать в память микроконтроллера (Stellaris LM3S9B92) станции.
Кнопка «Занесение времени» вызывает окно «Время». Это окно предназначено для занесения текущего времени с компьютера поста (6, 7) приема-передачи информации, а также включения контроля питания, тока и датчика затекания. Также можно, для проверки, считать записанное время в зондирующую станцию (8) и биты контроля.
Кнопка «Контроль состояния» вызывает предпостановочную проверку. По команде в зондирующей станции включаются измерительные датчики, производятся измерения глубины, напряжения аккумуляторов, тока потребления. По окончании измерений выполняется контрольная прокрутка лебедки или измерительного модуля (17) «вверх» и «вниз» по три секунды, составляется формуляр и данные с указанием времени измерений передаются через, например, радиомодем в электронно-вычислительную машину центра сбора и обработки информации.
Кнопка «Тестирование» вызывает окно «Тестирование» (рисунок 13). Это окно содержит пять вкладок. Первая вкладка «Входы АЦП» позволяет посмотреть чистые значение АЦП входов датчика давления, датчика напряжения и датчика тока. Вторая вкладка «Тест управления» позволяет управлять логическими выходами 1/0 микроконтроллеров используемых в станции (8). Третья вкладка «Технический отчет» позволяет принудительно запросить технический отчет. Четвертая вкладка «SD карта» позволяет «Запросить количество файлов на SD карте», «Запросить названия файлов на SD карте», «Создать новый файл на SD карте», «Запросить данные с SD карты». Стереть данные с SD карты», «Отформатировать SD карту». Пятая вкладка «Обнуление ДД» позволяет скорректировать калибровочные данные датчик давления с учетом атмосферного давления.
Кнопка «Старт» запускает рабочий режим зондирующей станции (8), а кнопка «Стоп» останавливает.
Кнопки «Размотать трос» и «Намотать трос» позволяют на заданное пользователем время включить лебедкой намотку или размотку силового троса или включить механизм привода измерительного модуля (17).
Галочка «Автоматическая остановка» позволяет прекратить выполнение зондирующей станцией (8) заданного алгоритма, после планового сеанса передачи данных, для коррекции или прекращения рабочего режима станции (8).
В третьем окне «Прием данных» расположены два окна. В левом окне находится технический отчет о работе станции (8), в который заносятся все аварийные ситуации, а также технические измерения. В правом окне находятся поименованные файлы с собранных и переданных всех используемых зондирующих станций (8) на пост (6, 7) приема-передачи информации.
Перед постановкой зондирующих станций (8) в выбранной зоне (2) исследуемой акватории моря или океана включается электропитание и в управляющие микроконтроллеры с компьютера одного из используемых постов (6, 7) приема-передачи информации передается сигнал на отработку того или иного рабочего алгоритма, включая диагностику работоспособности элементов, встроенной программы каждой из используемых зондирующих станций (8).
Постановка станции производится с разблокированной лебедкой (см. Фиг.6). Якорь-балласт погружается на дно, разматывая силовой трос лебедки, а зондирующая станция (8) остается на поверхности. Выполнение рабочей программы начинается по команде «Старт» с одного из используемых постов (6, 7) приема-приема информации. По этой команде происходит включение лебедки на намотку троса, и зондирующая станция (8) начинает погружение. При достижении, по показаниям датчика давления, глубины парковки, барабан лебедки останавливается, и станция (8) остается на заданной глубине до времени начала измерительного галса (измерение параметров водной среды) измерительными датчиками (11).
Для выполнения измерительного галса, барабан лебедки разблокируется, и станция (8) под действием положительной плавучести всплывает на поверхность. После всплытия показания датчика давления обнуляются для компенсации изменения атмосферного давления, и станция (8) погружается до первого горизонта измерения. После достижения горизонта измерения лебедка выключается, и производится опрос измерительных датчиков (11). Для погружения на следующий горизонт включается лебедка на погружение. Для оптимизации перемещений станции (8), измерения по горизонтам производится сверху вниз. После опроса измерительных датчиков (11) на последнем горизонте, станция, в соответствии с заложенной программой, либо всплывает на поверхность для сеанса связи с одним из используемых постов (6, 7) приема-передачи информации центра сбора и обработки информации и потом погружается на уровень парковки в ожидании следующего измерительного галса, либо сразу перемещается на уровень парковки. Аналогичным образом выполняются последующие галсы.
В процессе выполнения рабочего режима ведется постоянный опрос датчиков напряжения, тока и затекания для контроля возникновения аварийных ситуаций (Фиг.7).
В случае возникновения аварийной ситуации выполнение рабочей программы прерывается, и выполняется аварийное всплытие (Фиг.8).
Конструктивное решение, при котором зондирующая станция (8) АПС выполнена с океаническим буем (15) содержит (фиг.3): океанический буй (15), силовой трос (16), измерительный модуль (17) с механизмом привода, вьюшку (18), и балластный груз (19), соединенный с гидроакустическим размыкателем (20).
Океанический буй (15) включает в своем составе систему обнаружения (например, проблесковый радиомаяк), а также содержит, по меньшей мере, одну антенну связи (21) с герметичным электроразъемом и/или навигационный двухсистеммный ГЛОНАСС/GPS приемник (22) с антенной, причем верхняя часть корпуса (23) океанического буя (15) выполнена конусообразной формы из радиопрозрачного материала.
Использование радиопрозрачного материала (конструкционный, неоднородный диэлектрик) с однослойной или многослойной структурой, позволяет сохранить амплитуду и фазу проходящей сквозь них электромагнитной волны радиочастотного диапазона.
Измерительный модуль (17) содержит аппаратурный модуль (24), модуль (25) электропитания и механизм привода.
Корпус измерительного модуля (17) выполнен из полиацеталя.
Аппаратурный модуль (24) измерительного модуля содержит, по меньшей мере, один гидрофон, по меньшей мере, один измерительный датчик, блок управления бортовой системы управления, который, в свою очередь, содержит управляющие микроконтроллеры с разделением функций управления и, по меньшей мере, одно устройство приема-передачи информации, включающее радиомодем, накопитель информации, часы реального времени
Модуль (25) электропитания измерительного модуля (17) включает, по меньшей мере, один измерительный датчик и микроконтроллер управления механизмом привода измерительного модуля (17).
Центр (3) сбора и обработки информации и, по меньшей мере, одна зондирующая станция (8) взаимосвязаны между собой посредством системы приема-передачи информации;
Система приема-передачи информации представляет собой устройство приема-передачи информации по гидроакустическому каналу связи, или по радиоканалу, или по спутниковому каналу связи, или их комбинацией.
Каждая зондирующая станция (8) автономной позиционной станции зондирования водной среды устанавливается с одного или нескольких судовых постов (7) приема-передачи информации в заданных точках зоны (2) акватории. В соответствии с установленной программой, в назначенное время, измерительные модули (17) используемых зондирующих станций (8) выполненных с океаническим буем (15) посредством механизма привода начинают погружаться и/или всплывать, производя измерения параметров водной среды на различных горизонтах (глубинах), по заданной оператором программе полученной по используемому каналу связи (зондирующая станция (8) - береговой и/или судовой посты (6, 7) приема-передачи информации центра (3) сбора и обработки информации). Антенна (21) океанического буя (15) используемой зондирующей станции (8) позволяет производить прием и передачу информации автоматически без ограничений в соответствии с режимами работы станции (8).
После передачи данных и получения новых установленных оператором одного из постов (6, 7) приема-передачи информации заданий по измерениям, измерительный модуль (17) зондирующей станции (8) начинает перемещение по силовому тросу в исходную точку. Программа измерений может изменяться дистанционно по разным видам каналов связи.
По окончании необходимости использования зондирующих станций (8) с океаническим буем (15) с поста (6, 7) приема-передачи информации подается сигнал на срабатывание гидроакустического размыкателя (20). Якорь-балласт (19) остается на дне и зондирующая станция (8) под действием положительной плавучести поднимается на поверхность, где для обнаружения используется активная работа радиомаяка и звуковоспроизводящих средств системы обнаружения. Зондирующая станция извлекается на судовой пост (7) приема-передачи информации.
Использование автономной позиционной станции зондирования водной среды в комплекте с зондирующими станциями (8), содержащими в своем составе океанические буи (15) позволяет:
- передавать данные в режиме реального времени («on-line») (т.к. антенна, размещенная внутри корпуса океанического буя (15), постоянно находится на поверхности моря);
- увеличить допустимую глубину в месте установки до 4000 м;
- измерять требуемые показатели в зависимости от использования измерительных датчиков в пределах неограниченной исследуемой акватории морей и/или океанов на разных глубинах в месте установки океанического буя (15);
- повысить штормоустойчивость до 9-10 балов;
- облегчить поиск установленных зондирующих станций.
Описание предполагаемого технического решения подтверждается практической реализацией автономной позиционной станцией зондирования водной среды, разработанной и используемой в ОАО «МКБ «Компас».
Источники информации:
1. Патент на изобретение RU 2325674
2. Патент на полезную модель RU 2331876
3. Патент на изобретение RU 2184674
4. Патент на полезную модель RU 61430
5. Патент на полезную модель RU 67057
6. Патент на изобретение RU 2096247.
7. www:http//ruben1.narod.ru/doc/technick.pdf.