АВТОНОМНАЯ ПОЗИЦИОННАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ 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, которые возвращаются на поверхность моря за счет своей положительной плавучести.
Океанологические исследования могут сопровождаться другими специальными средствами исследований, где самостоятельное возвращение станции исключено, например, кабельные средства наблюдений. Для возвращения кабельных станции (КС) в настоящее время проводят дорогостоящие траловые работы по поиску кабеля с использованием специальных судов, затем проводят выборку кабеля и только после этого выбирается кабельная станция.
Предлагаемая полезная модель автономной гидрофизической станции (АГС) предназначена для измерения и регистрации (до 8 каналов) гидрофизической информации на цифровые накопители на глубинах до 1000 м. Установка АТС обеспечивается свободным погружением на гайдропе при установке кабельной станции и всплытие на поверхность за счет положительной плавучести прочного несущего корпуса при отделении от кабельной станции.
Для учета гидрологической обстановки района во время работы АТС может оснащаться датчиками глубины, температуры, электропроводности, скорости распространения звука и т.д. (до 8 датчиков) с микропроцессорной системой сбора и обработки гидрофизической информации. АГС обеспечивает усиление, фильтрацию, оцифровку, предварительную обработку и регистрацию на цифровой накопитель гидрофизической информации.
При этом основной задачей АТС является существенное упрощение процедуры возвращения КС на поверхность. Для этого АТС позиционируется над КС с помощью пропиленового фала. Назовем такого типа АГС автономной позиционной гидрофизической станцией (АПГС). Возвращение на поверхность КС достигается следующим образом. По команде, полученной АПГС по гидроакустическому каналу связи от обеспечивающего судна или от кабельной станции, АПГС всплывает на поверхность моря. При этом АПГС связана с кабельной станцией пропиленовым фалом, что позволяет после выборки АПГС произвести подъем кабельной станции. АПГС состоит из аппаратурного модуля, системой определения местоположения АПГС и передачи оперативной гидрофизической информации на поверхности моря, системой освобождения от КС, гидроакустической командной системой и системой регистрации, предварительной обработки и накопления гидрофизической информации.
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. Автономная гидрофизическая станция, принятая в качестве прототипа, 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 балласта (КС), устройством программного управления режимами работы.
АПГС состоит (фиг.1) из носителя аппаратуры (НА) 1, изготовленной из алюминиевых сплавов. Внутри НА 1 установлены блок управления (БУ) 2, накопитель информации (НИ) 3, абонентный пункт (АП) спутниковой системы связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 4, источник питания (ИП) собранный из литиевых батарей 5, совмещенные радиоантенны (РА) спутниковой системы связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 6, датчик герметичности 8. Снаружи установлены радио прозрачный колпак (полусфера) 7, обратимый гидроакустический преобразователь (ресивер) 18, поплавки из синтактических материалов 9, исполнительный механизм размыкателя (ИМР) 10, конической формы барабан 11.
Фал 12 состоит из двух частей: малая (верхняя) часть 12-1 (до 400 м) намотанная на конической формы барабан 11, конец которой зафиксирована на барабане с помощью специальной чеки 13 и соединена к верхней части гайдропа 15, сочлененная с нижней частью с помощью вертлюга. Нижняя часть гайдропа соединена с другой частью 12-2 пропиленового фала, которая в свою очередь связана с кабельной станцией 24.
Прочный корпус НА 1 с дополнительной плавучестью в виде поплавков 9 при полной нагрузке штатным оборудованием обеспечивает положительную плавучесть не менее 500 Н, при этом прочный корпус обеспечивает герметичность на рабочих глубинах до 1000 м.
Поплавок 9 (вид сверху АПГС, фиг.2) соединен двумя рамами, которые прикреплены к прочному корпусу НА 1, а две рамы связаны с помощью распорок, изготовленных из алюминиевых трубок. Соседние поплавки соединены с помощью пластин. На верхних пластинах (их четыре), закрепленных на верхней раме, предусмотрены по три установочных места 17 для крепления датчиков и приборов. На этих местах штатно установлены обратимый гидроакустический преобразователь 18 гидроакустической командной системы связи (ГАКС), проблесковый световой маяк 19,
радиоантенна 20 активного радиолокационного ответчика, датчик давления 23. На корпусе НА 1 предусмотрены 12 гермоввода (разъемы) 16. Для выполнения операций по постановке и выборке АПГС предусмотрены грузовая скоба 22 и устройство выборки 21.
На конической формы барабан 11 наматывается верхний отрезок пропиленового фала 12-1 (применяемый пропиленовый фал состоит из двух отрезков), рассчитанный на возращение АПГС на поверхность моря после выполнения программы работ, либо по командам по гидроакустическому каналу связи, либо по команде с датчика давления 23 (при превышении заданной глубины), либо по команде с датчика герметичности 8 (при обнаружении течи). Отрезок фала (порядка 1 метра от конца) фиксируется на нижней кромке барабана с помощью специальной чеки 13. Чека 13 в свою очередь с помощью тросика 14 крепится к гайдропу 15 (верхняя часть вертлюга). На этой же точке крепится конец фала 12-1. На нижнюю часть вертлюга гайдропа 15 крепится верхний конец другого отрезка фала 12-2, нижний конец пропиленового фала 12-2 крепится за КС 24.
В развернутом рабочем положении АПГС (фиг.3) располагается на глубине не более 400 м, после срабатывания исполнительного механизма размыкателя 10 АПГС всплывает на поверхность моря.
Общий вид АПГС без поплавков, навесного оборудования и конической формы барабана приведен на фиг.4.
Блок управления 2 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами АПГС по заданной программе или по команде, полученной по гидроакустическому каналу связи, либо по радиоканалу (на поверхности).
Источник питания 5 собран из литиевых аккумуляторных батарей, обеспечивающих в настоящее время максимальную емкость на условную единицу весогабаритных характеристик батарей. Источник питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался ватерлинии для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря.
Датчик герметичности 8 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке корпуса НА, обеспечивая, таким образом, наблюдение за герметичностью станции (при обнаружении течи станции замыкается цепь, давая тем самым команду на блок управления исполнительным механизмом размыкателя). Исполнительный механизм размыкателя (ИМР) 10 представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для соединения корпуса НА 1 с кабельной станцией 24 при погружении, нахождения его в подводном положении и отделения от КС 24 при всплытии станции.
Накопитель информации (НИ) 3 предназначен, прежде всего, для накопления зарегистрированной информации:
- приема сигналов от гидрофизических датчиков;
- предварительной обработки зарегистрированной информации фильтром-усилителем;
- аналого-цифрового преобразования информации;
- запоминания информации в буферной памяти ОЗУ, затем в энергонезависимом запоминающем устройстве CF и HDD.
Система накопления зарегистрированных данных построена на базе одноплатного микрокомпьютера Persior CF-1. CF-1 построен на микроконтроллере МС68СК338 фирмы Motorola и включает 1Mb flash памяти для данных и программ, а также 250 Kb статического ОЗУ.
Для энергонезависимого хранения данных используется карта Compact Flash (CF) объемом от 16 Mb. CF-1 поставляется с собственной операционной системой Pico DOS, которая позволяет создать на карте Compact Flash файловую систему, совместимую с MS DOS. Для разработки целевых программ использован компилятор Metrowerks Code Warrior Pro C/C++.
В качестве устройства хранения данных используется 2.5 HDD емкостью 40 Гбайт, который подключается к CF-1 через плату расширения Persistor Big IDEA.
Программное обеспечение системы накопления данных представляет собой набор трех независимых программ. Они располагаются на трех различных участках флэш-памяти и используются для различных целей. Программа установки параметров накопления Settings позволяет просматривать и устанавливать такие параметры регистрации, как количество каналов, частота дискретизации, размеров буферов данных, режимы диагностики без перекомпиляции и перезагрузки программы накопления.
В целях снижения энергопотребления в процессе накопления используется трехступенчатый буфер. Данные из АЦП накапливаются в буфере, находящимся в ОЗУ. После заполнения этого буфера все его содержимое переносится в буфер большего размера, который расположен в специальном разделе Compact Flash. Когда заполнится буфер, расположенный в Compact Flash, включается контроллер HDD и содержимое буфера переносится в файл. После записи файла HDD отключается. Такой цикл автономной станцией повторяется многократно до момента завершения работы.
Характеристики сигналов обмена ГАКС между судовой аппаратурой и АПГС имеют следующие параметры:
- обмен сигналами между обеспечивающим судном и ГАКС ПАГС осуществляется в диапазоне рабочих частот от 10 до 40 кГц;
- рабочая полоса частот - 1 кГц;
- передача сигналов осуществляется синхронно методом относительной фазовой модуляции со скорость 200 Бод;
- количество команд управления - до 31;
- команды управления выдаются в блок управления 2 АПГС в виде 16-разрядных слов;
- количество квитанций, передаваемых из АПГС на судно о приеме и исполнении команд управления - до 31;
- объем передаваемой цифровой информации из АПГС на судно - до 20 кбайт.
Абонентский пункт (АП) 4 с помощью совмещенной антенны системы спутниковой системы связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 6 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции на поверхности моря определять местонахождение станции. Также с помощью АП 4 может быть осуществлена оперативная передача гидрофизической информации в
исследовательский центр, который может располагаться практически на любой точке.
Радиоантенна активного радиолокационного ответчика 20 позволяет с использованием штатного судового радиолокатора определять местонахождение АПГС. Активный РЛС ответчик 3 сантиметровом диапазоне обеспечивает на экране навигационной РЛС две отметки характеризующие дальность и курс на АПГС.
Проблесковый световой маяк 19 имеет лампу ИФК-50 с энергией световой вспышки 1 кДж, вспышки следуют с интервалом 8 сек. По сигналу с датчика давления 23 в надводном положении БУ 2 включает проблесковый маяк 19, АП 4 спутниковой системы связи и навигации, одновременно готов с помощью антенны 20 активного радиолокационного ответчика отразить локационный сигнал со стандартного радиолокатора, позволяющий четко отметить местоположение станции на поверхности моря. В подводном положении по сигналу с датчика давления 23 БУ 2 отключает абонентский пункт 4 спутниковой системы связи и навигации.
БУ 2 по программе включает или выключает узел гидроакустической командной системы (ГАКС), исполняет все команды, получаемые по гидроакустическому каналу связи с помощью обратимого преобразователя 18. Кроме этого БУ 2 управляет режимами накопления НИ 3 по заданной программе, в заданное время или по команде выдает команду ИМР 10 на исполнение. Так при превышении данных с ДД 23 предельной величины, например 400 метров, либо при обнаружении течи с помощью датчика герметичности 8, либо по команде полученной по гидроакустическому каналу связи с помощью преобразователя 18 выдает команду ИМР 10 на исполнение.
Работа АПГС заключается в следующем.
На борту обеспечивающего судна перед постановкой АПГС проходит полный цикл подготовки, включающий в себе включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в блок управления 2. После тестирования АПГС, станцию привязывают к КС с помощью пропиленового фала. Затем за борт судна сначала выводится КС, за тем медленно стравливают фал 12-2, и, наконец, в последнюю очередь опускаем за борт АПГС.
В случае затекания АПГС или превышения глубины погружения выше заданной, например, 400 м происходит срабатывание ИМР 10 и АПГС всплывает (аварийное всплытие) на поверхность моря. В штатных условиях всплытие АПГС происходит только по командам, получаемым по гидроакустическому каналу связи через ГАКС от обеспечивающего судна или кабельной станции.