АВТОНОМНАЯ ПОЗИЦИОННАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ ПО ГЛУБИНЕ

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.
Известна автономная позиционная станция для зондирования водной среды по глубине, принятая в качестве прототипа [Вольфсон Л.М., Прошкин С.Г., Юрченко В.А. Автономная позиционная станция для зондирования водной среды по глубине, способ определения параметров водной среды этой станцией и способ передачи ею измеренных параметров, патент РФ №2184674 от 01.09.2001], содержащая контейнер с комплектом измерительных модулей, системой приема-передачи информации, выполненной с аппаратурой радиосвязи, бортовой системой управления, системой электропитания, системой всплытия и погружения, выполненной с лебедкой, а также буйреп, соединенный одним 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 с гидроакустической связи.
К недостаткам данной системы можно отнести использование балластных грузов для дифферентовки, что значительно усложняют использование этой системы, а также использование гидроакустического канала связи только для приема - передачи информации.
В предлагаемой полезной модели используется носитель аппаратуры с навесным оборудованием у которой центр тяжести располагается ниже геометрического центра, располагаясь на одной вертикальной оси, тем самым
обеспечивая необходимую остойчивость без применения балластных грузов для дифферентовки, управление за вертикальным перемещением осуществляется как программно, так и через гидроакустический канал связи, тем самым освобождаясь от выше указанных недостатков.
Предлагаемая полезная модель автономной позиционной гидрофизической станции (АПГС) предназначена для измерения и регистрации (до 8 каналов) гидрофизической информации на цифровые накопители на глубинах до 250 м (прочный корпус обеспечивает герметичность на глубинах до 1000 м) с возможностью оперативной передачи информации на поверхности моря с использованием спутниковой системой связи «Гонец».
Установка АПГС обеспечивается свободным погружением на тросе (буйреп) за счет отрицательной плавучести создаваемой якорем - балластом и всплытие на поверхность за счет положительной плавучести прочного несущего корпуса при отделении от якоря - балласта.
Для учета гидрологической обстановки района во время работы АПГС может оснащаться датчиками глубины, температуры, электропроводности, скорости распространения звука и т.д. (до 8 датчиков) с микропроцессорной системой сбора и обработки гидрофизической информации.
АПГС обеспечивает усиление, фильтрацию, оцифровку, предварительную обработку и регистрацию на цифровой накопитель гидрофизической информации. При этом основной задачей предлагаемой АПГС является измерение гидрофизических параметров водной среды по глубине, для чего применяется специальная лебедка с источником питания закрепленных к раме.
АПГС представляет собой аппаратурный модуль, систему определения местоположения АПГС и передачи оперативной гидрофизической информации на поверхности моря, блок управления лебедкой, гидроакустическую командную систему и системы регистрации, предварительной обработки и накопления гидрофизической информации.
АПГС состоит (фиг.1) из носителя аппаратуры (НА) 1, изготовленного 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, монолитный блок состоящий из лебедки 8 и источника питания 10, закрепленный к НА 1 с помощью рамы.
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 20 для крепления датчиков и приборов. На этих местах штатно установлены обратимый гидроакустический преобразователь (ресивер) 21 гидроакустической командной системы связи (ГАКС), проблесковый световой маяк 22, радиоантенна 23 активного радиолокационного ответчика, датчик давления 26. На корпусе НА 1 предусмотрены 12 гермоввода (разъемы) 19. Для выполнения операций по постановке и выборке АПГС предусмотрены грузовая скоба 25 и устройство выборки 24.
К нижней раме (АГПС вид снизу, фиг.3) подсоединен монолитный блок из лебедки 8 и источника питания 10. Источник питания лебедки 10 собран из литиевых батарей.
Лебедка 8 предназначена для обеспечения циклического перемещения АПГС по вертикали на тросе в диапазоне глубин от 0 до 250 м в автономном режиме (предельная рабочая глубина зависит от емкости барабана лебедки 8-2. Лебедка 8 состоит из следующих основных конструктивных элементов (фиг.4): шасси 8-1; барабана 8-2; тягового шкива 8-3; двух герметичных электроприводов 8-4; укладочного ролика 8-5; приводного катка барабана 8-
6; направляющих роликов 8-7; тороидной направляющей 8-8; тормоза слабины 8-9. Кинематика работы лебедки организована следующим образом. Тяговый трос 11 поступает через тороидную направляющую 8-8 к тяговому шкиву 8-3, огибая три направляющих ролика 8-7. После выхода из ручья тягового шкива 8-3 трос 11 попадает на укладочный ролик 8-5, а затем в накопительный барабан 8-2. Между тороидной направляющей 8-8 и первым направляющим роликом 8-7 установлен подпружиненный рычажный тормоз слабины 8-9, служащий для фиксации натяжения тягового троса 11 внутри лебедки в случае возникновения слабины на направлении тягового усилия. Два герметичных электропривода 8-4 лебедки представляют собой мотор - редукторы постоянного тока, защищенные от воздействия морской воды прочными герметичными контейнерами со встроенными блоками электронного управления. Тяговый двигатель 8-4-1 и двигатель подмотки 8-4-2 имеют одинаковую конструкцию и одинаковые системы управления. Режим работы задается изменением программы управляющего микропроцессора. Тяговый двигатель 8-4-1 предназначен для создания тягового усилия на тяговом шкиве 8-3. Система управления тяговым двигателем 8-4-1 обеспечивает стабилизацию скорости вращения выходного вала привода с частотой, задаваемой программным путем. Двигатель подмотки 8-4-2 обеспечивает стабилизацию момента намотки троса 11 для укладки в барабан 8-2 с заданным моментом натяжения. Скорость вращения вала не стабилизируется. Для режима намотки и режим смотки троса 11 задаются различные моменты натяжения троса. Величина момента намотки троса задается программным путем. Микропроцессор блока управления лебедкой формирует сигналы управления тяговым двигателем 8-4-1 и двигателем подмотки в зависимости от сигналов с программного устройства, сигналов концевых датчиков и датчиков вращения тягового шкива 8-3 лебедки. Программное устройство блока управления лебедкой включает в себя таймер, который в заданное программой время вырабатывает сигналы «включить-отключить привод», «направление вращения». В качестве датчиков частоты вращения используется парапостоянный магнит, закрепленный на валу двигателя и магниточувствительный компаратор.
Использование такого датчика позволяет измерять частоту вращения вала двигателя через стенку герметичного контейнера. Сигналы с датчиков частоты вращения и внешние управляющие сигналы с программного устройства блока управления лебедкой подаются на микропроцессор управления двигателем. В системе управления тяговым двигателем 8-4-1 используется режим ограничения скорости вращения двигателя с использованием сигналов датчиков частоты вращения. В приводе двигателя подмотки 8-4-2 сигналы с датчиков частоты вращения не используется. Двигатель подмотки питается постоянным током, что позволяет стабилизировать тяговый момент независимо от скорости вращения вала двигателя. Тяговое усилие на тросе лебедки не менее 500 Н при скорости выборки не более 0,05 м/сек. Напряжение питания привода 12 В, ток потребления под нагрузкой 5-20 А. Рабочая глубина погружения лебедки до 1000 м при заполнении защитных корпусов электродвигателей жидким диэлектриком с уравнением внешнего и внутреннего давлений, «Всухую» возможна работа до глубин 250 м. Емкость барабана лебедки порядка 400 м при диаметре троса 3 мм.
Блок управления АПГС 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 ниже ватерлинии для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря.
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 АПГС 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;
- 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 17 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 16 имеет лампу ИФК-50 с энергией световой вспышки 1 кДж, вспышки следуют с интервалом 8 сек.
По сигналу с датчика давления 20 в надводном положении БУ 2 включает проблесковый маяк 16, АП 4 спутниковой системы связи и навигации, одновременно готов с помощью антенны 17 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 20 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
15. Кроме этого БУ 2 управляет режимами накопления НИ 3 и режимом работы лебедки 8 по заданной программе.
Работа АПГС заключается в следующем.
На борту обеспечивающего судна перед постановкой АПГС с лебедкой проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в блок управления 2. После тестирования и сборки в единое целое АПГС с лебедкой определяется место постановки (глубина места не должна превышать 250 м). Затем за борт обеспечивающего судна выносится балласт 12, затем медленно стравливают трос 11 и, наконец, в последнюю очередь опускаем за борт АПГС. При глубине места до 250 м (при малых значениях скорости течения глубина места может оказаться большим) АПГС в начальном этапе находится на поверхности моря. По программе, заложенной в программном устройстве блока управления лебедкой, лебедка начинает наматывать трос на барабан и АПГС начинает двигаться вниз. С этого момента АПГС начинает проводить регистрацию гидрофизической информации. Работа лебедки полностью определяется заложенной программой или командой, полученной по гидроакустическому каналу связи. В периоды всплытия АПГС на поверхности проводит сеанс связи с обеспечивающим судном или с центром обработки данных. После выполнения программы работ, всплытие АПГС происходит только по командам, получаемым по гидроакустическому каналу связи через ГАКС от обеспечивающего судна или блока управления АПГС. По команде, полученной с блока управления 2, лебедка 8 начинает разматывать трос вследствие чего, начинается подъем АПГС до всплытия на поверхность моря. После обнаружения АПГС обеспечивающим судном, АПГС выбирается на судно для проведения после постановочных тестов и обработки накопленной информации.