ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДВОДНОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ ВОДОЛАЗОВ И ПОДВОДНЫЙ БЛОК ВОДОЛАЗА

Полезная модель относится к гидроакустическим системам подводной навигации и предназначена для точного определения местоположения водолазов, перемещения по заданному маршруту, для повышения безопасности и исключения нарушения жизнедеятельности водолазов в процессе выполнения работ и нахождения под водой, может использоваться как при свободном плавании, так и при установке на водолазное транспортное средство.
Известна «Система определения местоположения и дальности для водолазов» (Патент № US 2007140057 (A1), опубл.: 2007-06-21), в которой система для водолазов указывает водолазу положение, и дальность относительно текущего местоположения судна. Система для водолазов включает передатчик, приемник, монитор, и датчик глубины, объединенный с приемником или монитором. Водолаз может приложить монитор к удобной части тела (например, запястье), или компенсатору плавучести. Передатчик расположен на судне, и излучает кодируемое сообщение на частоте, подходящей для передачи через воду. Модуль приемника несет водолаз (например, приложен к аквалангу водолаза), и он включает три приемника, которые независимо получают кодируемое сообщение от передатчика. Логическая схема в приемнике осуществляет триангуляционную обработку по полученным сигналам. Кроме того, по амплитуде полученных сигналов логическая схема может определить расстояние до передатчика. Монитор отображает глубину водолаза, расстояние до передатчика (лодки), и стрелку, которая указывает направление на передатчик (судно). Если антенна передатчика подводная, но около поверхности воды, логическая схема в приемнике может вычислить горизонтальное расстояние до судна с использованием информации о глубине, полученной из датчика глубины и известного расстояния от передатчика. Как другой пример, множество передатчиков может быть расположено на морском дне, чтобы сформировать направление движения для водолазов. Кроме того, множество портативных передатчиков может быть помещено водолазами в стратегических местах. Следовательно, передатчики могут использоваться, чтобы указать обратный путь для водолазов, даже если их направление потеряно, или их видимость затемнена илом.
Недостатком данного изобретения является возможность системы отображать на мониторе только направление на судно и невозможность задания маршрута движения.
Известно изобретение «Компьютер водолаза» (Заявка № WO 2005082707 (А1) Опубликовано: 2005-09-09), который может быть использован водолазом во время погружения под воду, включающий измерительный прибор времени, посредством которого может быть измерено время погружения, измерительный прибор глубины, посредством которого измеряют глубину погружения, на которой водолаз оказывается, устройство памяти для хранения данных и шагов программы, вычислитель, который определяет величину времени и глубину погружения в соответствии, по крайней мере, с одной данной программой, монитор, показывающий измеренные величины, полученные вышеупомянутыми измерительными приборами.
Недостатком данного изобретения является отсутствие задания и указания траектории движения водолаза.
Известно изобретение «Терминал для водолаза и способ» (Патент № KR 100761905 (В1), опубликовано: 2007-09-28, Опубликовано: 2007-09-28), который позволяет водолазам проверить положения других водолазов во время подводного плавания. Терминал для водолаза состоит из GPS (глобальная система навигации и определения положения) приемника, установленного в терминале; дисплейный блок отображения, установленный на внешней поверхности терминала, чтобы показать заданные справочные координаты и информацию положения водолаза, полученную через приемник GPS; блок управления, установленный на внешней поверхности терминала, чтобы вручную установить справочные координаты, выполняющий различные функции управления, отображения; и информационный приемник положения, расположенный в терминале, чтобы получить информацию положения о других терминалах заданной группы. Блок управления передает информацию положения, предоставленную от информационного приемника положения на дисплейный блок отображения.
Недостатком данного изобретения является отсутствие указания заданного маршрута движения и текущей траектории движения.
Данное изобретение является наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению «Подводный блок водолаза», т.е прототипом.
Известна полезная модель «Гидроакустическая система подводной навигации для водолазов» (патент №97539, опубл.: 10.09.2010), включающая навигационную базу из множества плавучих маяков (3) и портативный гидроакустический приемник (2) водолаза (1). Каждый из плавучих маяков (3) содержит приемник внешней навигационной системы (6), приемная часть (4) которого установлена над поверхностью воды, для определения координат своего местоположения в режиме реального времени, и гидроакустический передатчик (5), выполненный с возможностью передачи гидроакустического сигнала, включающего информацию о текущих координатах местоположения плавучего маяка (3) на портативный гидроакустический приемник (2). Портативный гидроакустический приемник (2) выполнен с возможностью приема сигналов от гидроакустических передатчиков (5) плавучих маяков (3), дальнейшего вычисления на базе принятых сигналов текущих координат местоположения водолаза (1) и отображения информации, касающейся вычисленных текущих координатах местоположения водолаза (1). Система является относительно простой при ее установке и эксплуатации и позволяет не только с достаточно высокой точностью определять координаты абсолютного местоположения водолаза (1), но и его относительное местоположение, т.е. местоположение относительно других надводных или подводных объектов (7, 9), оборудованных соответствующими передатчиками (8, 10).
Недостатком данной полезной является снижение точности определения координат при наличии волнения, течения, наличие плавающих маяков, мешающих навигации, проведение дополнительных операций по расстановке плавающих маяков.
Данная полезная модель является наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению, т.е прототипом.
Задачей, для решения которой предлагается полезная модель, является повышение точности определения координат при сложных гидрометеорологических условиях, возможность задания маршрута движения и текущей траектории движения водолазов как в абсолютных, так и в относительных системах координат, исключение аппаратуры, плавающей на поверхности воды, упрощение эксплуатации гидроакустической системы подводной навигации.
Данная задача решается созданием гидроакустической системы подводной навигации для водолазов, содержащей обеспечивающее судно с расположенной на нем аппаратурой, по меньшей мере, один маяк, гидроакустический приемоизлучатель, приемник внешней навигационной системы, устройство определения глубины, таймер, устройство отображения, в которую дополнительно введены первый гидроакустический приемо-передатчик, расположенный на обеспечивающем судне, подводный блок водолаза, который содержит эхолот, доплер-лаг, по меньшей мере, один биометрический датчик, датчик курса, крена, дифферента, второй приемник внешней навигационной системы, второй гидроакустический приемо-передатчик, устройство определения глубины, таймер, вычислительный блок, осуществляющий вычисление текущих координат по данным, получаемым от эхолота, доплер-лага, датчика курса, крена, дифферента, приемников внешней навигационной системы, при этом устройство отображения, выполнение с возможностью отображения текущей траектории движения и заданного маршрута движения, по меньшей мере, одного водолаза, между обеспечивающим судном, водолазом и объектом поиска, а маяки выполнены в виде маяков-ответчиков, расположеных на водолазах, гидроакустический приемоизлучатель расположен на обеспечивающем судне и выполнен с возможностью запроса и приема информации от маяков-ответчиков, при этом вход вычислительного блока соединен с выходами эхолота, доплер-лага, биометрического датчика, датчика курса, крена, дифферента, второго приемника внешней навигационной системы, устройства определения глубины, таймера, один из выходов вычислительного блока соединен со вторым гидроакустическим приемо-передатчиком, а второй выход соединен с устройством отображения.
Кроме того, на судне расположена надводная станция гидроакустической связи, а на водолазе расположена подводная станция гидроакустической связи, обеспечивающие голосовую гидроакустическую связь.
Кроме того, в качестве приемников внешней навигационной системы использована спутниковая система GPS.
Кроме того, гидроакустический приемоизлучатель выполнен портативным.
Также данная задача решается созданием подводного блока водолаза, содержащего устройство отображения, вычислительный блок, в который дополнительно введены эхолот, доплер-лаг, по меньшей мере, один биометрический датчик, датчик курса, крена, дифферента, второй приемник внешней навигационной системы, второй гидроакустический приемо-передатчик, устройство определения глубины, таймер, причем вычислительный блок осуществляет вычисление текущих координат по данным, получаемым от эхолота, доплер-лага, датчика курса, крена, дифферента, приемников внешней навигационной системы, устройства отображения, выполненного с возможностью отображения текущей траектории движения и заданного маршрута движения, по меньшей мере, одного водолаза, между обеспечивающим судном, водолазом и объектом поиска, при этом вход вычислительного блока соединен с выходами эхолота, доплер-лага, биометрического датчика, датчика курса, крена, дифферента, второго приемника внешней навигационной системы, устройства определения глубины, таймера, один из входов которого соединен с вторым гидроакустическим приемо-передатчиком, а второй выход соединен с устройство отображения.
Работа гидроакустической системы подводной навигации для водолазов иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 дана схема обмена данными в системе подводной навигации для водолазов. На фиг.2 дана структурно-функциональная схема подводного блока водолаза. Гидроакустическая система подводной навигации для водолазов (фиг.1, 2) содержит обеспечивающее судно 1 с расположенной на нем аппаратурой, по меньшей мере, один маяк-ответчик 2, расположенные на водолазах 3, гидроакустический приемоизлучатель 4, расположенный на обеспечивающем судне 1, приемник внешней навигационной системы 5, первый гидроакустический приемо-передатчик 6, расположенные на обеспечивающем судне 1, подводный блок водолаза 7, который содержит эхолот 8, доплер-лаг 9, по меньшей мере, один биометрический датчик 10, датчик курса, крена, дифферента 11, второй приемник внешней навигационной системы 12, второй гидроакустический приемо-передатчик 13 с возможностью передачи гидроакустического сигнала, включающего информацию о текущих координатах своего местоположения, устройство определения глубины 14, таймер 15, вычислительный блок 16, осуществляющий вычисление текущих координат по данным, получаемым от эхолота 8, доплер-лага 9, датчика курса, крена, дифферента 11, приемников внешней навигационной системы 5, 12, в качестве которых использована спутниковая система GPS, устройство отображения 17, выполненное с возможностью отображения текущей траектории движения и заданного маршрута движения, по меньшей мере, одного водолаза, между обеспечивающим судном, водолазом и объектом поиска. При этом вход вычислительного блока 16 соединен с выходами эхолота 8, доплер-лага 9, биометрического датчика 10, датчика курса, крена, дифферента 11, второго приемника внешней навигационной системы 12, устройства определения глубины 14, таймера 15, один из входов которого соединен с вторым гидроакустическим приемо-передатчиком 13, а второй выход соединен с устройство отображения 17. На судне расположена надводная станция гидроакустической связи 18, а на водолазе расположена подводная станция гидроакустической связи 19, которые обеспечивают голосовую гидроакустическую связь.
Подводный блок водолаза 7 при проведении навигационных работ водолаз держит в руках. Гидроакустические приемо-передатчики 6, 13 обеспечивают обмен цифровой информацией между обеспечивающим судном 1 и водолазами 3. Гидроакустический приемоизлучатель 4 может быть выполнен в портативном исполнении.
Устройство работает следующим образом.
В заданном районе для производства подводно-технических работ располагают обеспечивающее судно 1 с находящимся на нем гидроакустическим приемоизлучателем 4, приемником внешней навигационной системы 5, в качестве которой может быть использована спутниковая система GPS, которая определяет географические координаты судна и передает их через первый гидроакустический приемо-передатчик 6 на подводный блок водолаза 7, надводную станцию гидроакустической связи 18, обеспечивающей звуковую связь между водолазом 3 и обеспечивающим судном 1. Водолаз 3 в начальной точке спуска (находясь над поверхностью воды), а также в произвольной точке маршрута при всплытии, с помощью второго приемника внешней навигационной системы 12 определяет координаты в начальной (или в произвольной при всплытии) точке спуска. Спуск может осуществляться как с обеспечивающего судна, так и с другого судна или с берега. На водолазе 3 расположен один маяк-ответчик 2, подводная станция гидроакустической связи 19 и в руках он держит подводный блок водолаза 7. Система позволяет регистрировать координаты нескольких водолазов. Полученные координаты начальной точки спуска вводятся в вычислительный блок 16, затем задаются координаты точек движения по маршруту и также вводятся в вычислительный блок 16. На экране устройства отображения 17 появляется маршрут движения с указанием курса и дистанции до первой точки маршрута. При движении водолаза на экране отображается траектория движения водолаза и заданный маршрут движения.
Счисление пути производится по данным, получаемым от гидроакустического приемоизлучателя 4, который регистрирует сигналы от маяка-ответчика 2, расположенного на водолазе и от приемника внешней навигационной системы 5, которые передаются через первый гидроакустический приемо-передатчик 6 и второй гидроакустический приемопередатчик 13 в вычислительный блок 12, также от доплер-лага 9, который выдает скорость, направление и расстояние, пройденное водолазом за определенное время, от датчика курса, крена, дифферента 11, устройства определения глубины 14 и эхолота 8. Счисление, производимое по данным от этих устройств, позволяет существенно повысить точность определения координат водолаза, учитывать наличие подводных течений.
Географические кооординаты начальной точки спуска водолаза могут быть введены в подводный блок водолаза 7 в ручном режиме или по данным с навигационных приемников GPS. Доплер-лаг 9 использует четырех лучевой излучатель для определения направления и скорости перемещения водолаза под водой. Он в режиме реального времени постоянно излучает и принимает отраженные гидроакустические сигналы, параметры которых используют для расчета скорости движения, скорости подводных течений, высоты над уровнем дна. Датчик курса, крена, дифферента 11 необходим для определения азимута, дополнительно имеется возможность измерения углов положения относительно горизонта (крен, дифферент). Датчик также позволяет задавать и возвращать текущее значение смещения азимута и значение магнитного склонения (разница между направлением на географический и магнитный полюса Земли). Полученные данные необходимы как для ориентирования водолаза, так и исчисления пройденного пути. Он также необходим для контроля крена и дифферента. В качестве датчика курса, крена, дифферента может быть выбрана система ориентирования STC20 производства ЗАО «НТЦ Рисса», выпускаемая серийно. Вычислительный блок 16 использует полученные данные для счисления пройденного пути и определения текущих координат. В качестве вычислительного блока 16 может быть использован контроллер PM-US15W-Z530-R10.
Устройство определения глубины 14 необходимо для контроля водолазом глубины погружения и вычисления расстояния, пройденного водолазом (наклонной дальности). Устройство передает получаемые данные на вычислительный блок 16 по любому из протоколов передачи данных: RS-232/RS-422/RS-485. В качестве устройства определения глубины может быть выбран преобразователь давления СДВ-И, производства НПК «ВИП», выпускаемый серийно.
В качестве устройства отображения 17 подойдет любой цветной жидкокристаллический дисплей с диагональю 6,5” с разрешающей способностью 640×480 (800×600) пикселей, имеющий вход для подключения к вычислительному блоку LVDS. Например, промышленная LCD-панель DM-65GH/T-R производства компании IEI (Тайвань).
Биометрический датчик измеряет частоту пульса, по значению величины пульса судят о физиологическом состоянии водолаза, и принимают решение о продолжении или прекращении погружения. В качестве такого датчика может быть использован датчик Wear Link фирмы Polar (Финляндия).
Режимы работы изделия обеспечивают отображение пути водолаза как при движении по GPS, так и при движении водолаза по показаниям доплер-лага 9. В процессе движения обязательно отображаются показания встроенного в изделие компаса, а также расстояние до требуемой точки. Учитывая сложность и психологическую нагрузку на водолаза при нахождении под водой, режимы работы изделия переключаются простым нажатием кнопки управления, находящейся на подводном блоке водолаза. При этом независимо от выбранного активного режима и связанного с ним группы датчиков и приборов все неактивные режимы также постоянно функционируют. Выполнение данного требования обеспечивает отсутствие задержки в отображении данных при переключении режимов функционирования.
Перед погружением водолаз имеет возможность настройки режимов работы системы в зависимости от поставленной задачи и проверки подключенного оборудования. В процессе погружения водолаз имеет возможность вносить изменения в настройки режимов работы изделия с помощью клавиатуры. Управление режимами работы системы, сопряжения всех подключенных датчиков и устройств обеспечивают программной частью системы.
Таким образом, данная система позволяет производить сбор, обработку, отображение для руководителя водолазных спусков и водолаза данных о параметрах погружения и местоположении водолаза в реальном времени и документирование информации от элементов оборудования (доплеровского лага, спутниковой навигационной системы и т.п.), а также от встроенных датчиков углового положения (курса, крена, дифферента), GPS и глубины, что повышает точность определения координат при сложных гидрометеорологических условиях, исключает наличие аппаратуры, плавающей на поверхности воды, упрощает эксплуатацию гидроакустической системы подводной навигации.