Система акустического позиционирования с короткой базой - Short baseline acoustic positioning system

Рисунок 1: Метод работы системы акустического позиционирования с короткой базой (SBL) для ROV

А система акустического позиционирования с короткой базой (SBL)[1] один из трех широких классов системы подводного акустического позиционирования которые используются для отслеживания подводных аппаратов и водолазов. Два других класса системы сверхкороткой базовой линии (USBL) и системы с длинной базой (LBL). Как и системы USBL, системы SBL не требуют каких-либо транспондеров или оборудования, установленных на морском дне, и поэтому подходят для отслеживания подводных целей с лодок или судов, которые стоят на якоре или в пути. Однако, в отличие от систем USBL, которые предлагают фиксированную точность, точность позиционирования SBL улучшается с увеличением расстояния между датчиками.[2] Таким образом, там, где позволяет пространство, например, при работе с более крупных судов или дока, система SBL может обеспечить точность и надежность позиционирования, аналогичную системам LBL, установленным на морском дне, что делает систему пригодной для высокоточных геодезических работ. При работе с меньшим судном, где расстояние между датчиками ограничено (т.е. когда базовая линия короткая), система SBL будет демонстрировать пониженную точность.

Работа и производительность

Системы с короткой базовой линией определяют положение отслеживаемой цели, такой как ROV, путем измерения расстояния до цели от трех или более датчиков, которые, например, опускаются над стороной надводного судна, с которой выполняются операции отслеживания. Эти измерения дальности, которые часто дополняются данными о глубине от датчика давления, затем используются для триангуляции положения цели. На рисунке 1 базовый датчик (A) отправляет сигнал, который принимается транспондером (B) на отслеживаемой цели. Транспондер отвечает, и ответ получают три базовых преобразователя (A, C, D). Измерения времени прохождения сигнала теперь дают расстояния B-A, B-C и B-D. Результирующие целевые положения всегда относятся к местоположению базовых датчиков. В случаях, когда отслеживание осуществляется с движущегося судна, но позиция цели должна быть известна в земных координатах, таких как широта / долгота или UTM, система позиционирования SBL сочетается с приемником GPS и электронным компасом, которые установлены на лодке. Эти инструменты определяют местоположение и ориентацию лодки, которые комбинируются с данными относительного положения из системы SBL, чтобы установить положение отслеживаемой цели в земных координатах.

Системы с короткой базовой линией получили свое название от того факта, что расстояние между датчиками базовой линии (например, на лодке) обычно намного меньше, чем расстояние до цели, такой как роботизированный автомобиль или водолаз, решившийся далеко от лодки.[3] Как и в случае любой акустической системы позиционирования, более крупная базовая линия обеспечивает лучшую точность позиционирования. Системы SBL используют эту концепцию с преимуществом, регулируя расстояние между датчиками для достижения наилучших результатов.[4] При работе с более крупных судов, из доков или с морского льда, где можно использовать большее расстояние между датчиками, системы SBL могут обеспечить точность позиционирования и надежность, приближающуюся к системам LBL, установленным на морском дне.

История

Системы SBL используются во множестве часто специализированных приложений. Возможно, первой реализацией любой подводной акустической системы позиционирования была система SBL, установленная на океанографическом судне ВМС США. USNS Mizar. В 1963 году эта система управляла батискафом. Триест 1 к месту крушения американской атомной подводной лодки USS Thresher. Однако производительность все еще была настолько низкой, что из десяти поисковых погружений «Триеста-1» визуальный контакт с обломками был установлен только один раз.

Океанографический институт Вудс-Хоул использует систему SHARPS SBL, чтобы направлять свой привязанный глубоководный роботизированный автомобиль JASON относительно MEDEA. депрессор вес и док-станция, связанная с автомобилем. Вместо того, чтобы отслеживать оба автомобиля с помощью системы позиционирования с поверхности, что привело бы к снижению точности по мере увеличения расстояния развертывания пары, базовые датчики SBL устанавливаются на MEDEA. получение положения JASON относительно MEDEA с хорошей точностью независимо от глубины развертывания системы. Заявленная точность составляет 0,09 м.[5]

Системы SBL также доступны на коммерческой основе для размещения небольших ROV и других подводных транспортных средств и оборудования.[6].

пример

Рисунок 2: ROV SCINI рядом с местом для погружения на острове Хилд, Антарктида.

Пример технологии SBL в настоящее время (с 2007 г.) реализуется в Антарктиде, где Морская лаборатория Moss Landing использует систему PILOT SBL для направления SCINI дистанционно управляемый автомобиль. SCINI (рисунок 2) представляет собой небольшой привязной автомобиль в форме торпеды (ROV ) разработан для быстрого и несложного развертывания и исследования удаленных участков вокруг Антарктиды, включая Heald Island, Мыс Эванс и Парусный залив. Система SCINI спроектирована так, чтобы быть компактной и легкой, чтобы облегчить быстрое развертывание с помощью вертолета, гусеничного транспортного средства и даже саней, управляемых человеком. Оказавшись на месте, его корпус в форме торпеды позволяет ему выходить в океан через небольшие (диаметром 20 см) отверстия, просверленные в морском льду. Научные цели миссии[7] однако требуется высокая точность навигации для поддержки задач, включая съемку 10-метровых видеопреобразований (прямые линии), обеспечение точных положений для неподвижных изображений для документирования распределения и плотности популяции бентосных организмов, а также маркировку и повторное посещение участков для дальнейшего исследования.

Навигационная система SBL (рисунок 3) состоит из трех небольших датчиков базовой линии гидролокатора диаметром 5 см (A, B, C), которые соединены кабелем с блоком управления (D). Небольшой (13,5 см Д x 4 см Г) транспондер цилиндрической формы установлен на транспортном средстве SCINI. Точность оптимизируется за счет использования плоского морского льда для размещения датчиков базовой линии на значительном расстоянии друг от друга; ок. 35 м для большинства развертываний SCINI.

На рисунке 4 показаны операции SCINI, управляемые системой SBL. На рис. 4А изображена импровизированная диспетчерская ROV, в данном случае в кабине, буксируемой на вершине проруби на мысе Армитидж. Слева представлены экран управления ROV (A), вид основной камеры (B), экран навигации (C) и научный дисплей (D). Пилот ROV обычно будет смотреть с основной камеры. Он взглянет на экран навигации (C), который показывает текущее положение ROV и трек, наложенный на карту, для ориентации и направления ROV к месту, указанному ученым. Ученый, изображенный здесь сидящим справа, оснащен научным дисплеем (D), который объединяет изображения ROV с данными о местоположении, глубине и времени в реальном времени. Ученый набирает письменные или озвученные наблюдения в компьютер, чтобы обеспечить контекст для данных, отметить объекты или события, представляющие интерес, или обозначить начало или конец видеотрансекта (рисунок 4B).

Типичное исследование участка будет охватывать несколько погружений, по мере того как постепенно выполняются такие задачи, как первоначальное исследование, получение неподвижных изображений и видеопереходы. Важнейшим элементом в этих сериях погружений является отображение зоны охвата поиском предыдущего погружения, чтобы последующее погружение могло быть нацелено на ранее не посещавшуюся область. Это делается путем построения графика совокупного покрытия места погружения (рис. 4C). График, который обновляется после каждого погружения, отображается как фоновая карта на экране навигации, обеспечивая руководство для текущего погружения. Он показывает предыдущие следы ROV с цветом, используемым для указания глубины. Анализ отображаемых здесь данных трека дает качество позиционирования, обеспечивающее погрешность измерений. В этом случае стандартная точность установлена ​​как 0,54 м.

  • Рисунок 3: Развертывание системы позиционирования SBL на мысе Эванс. Максимальное расстояние между базовыми датчиками сонара (A, B, C) и их расположение в виде равностороннего треугольника дает лучшую точность

  • Рисунок 4A: Диспетчерская SCINI с четырьмя экранами дисплеев для управления ROV (A), обзора основной камеры (B), навигационного дисплея SBL (C) и аннотации изображений или экрана науки (D)

  • Рисунок 4B: Изображение, соответствующее положение, время и наблюдение или утверждение ученого объединены в единую запись.

  • Рисунок 4C: График охвата нескольких погружений SCINI на мысе Армитидж. Цветные точки - это следы положения автомобиля с кодировкой глубины.

Рекомендации

  1. ^ Подводные акустические системы позиционирования, Глава 3, P.H. Милн, 1983, ISBN  0-87201-012-0
  2. ^ Руководство ROV, Раздел 4.2.7. Преимущества и недостатки систем позиционирования, Роберт Д. Крист и Роберт Л. Вернли-старший, 2007 г., ISBN  978-0-7506-8148-3
  3. ^ Справочник по акустике, Малкольм Дж. Крокер, 1998 г., ISBN  0-471-25293-X, 9780471252931, стр. 462
  4. ^ Оценка акустических систем USBL и SBL и оптимизация методов калибровки, Филип, Гидрографический журнал, № 108, апрель 2003 г.
  5. ^ Интеграция точного относительного позиционирования в операции JASON / MEDEA ROV, Бингхэм и др., MTS Journal Spring 2006 (том 40, номер 1)
  6. ^ «Комплект подводного GPS-навигатора с водным соединением», Blue Robotics, 3 апреля 2017 г. Проверено 18 августа 2019 г.
  7. ^ Веб-сайт проекта SCINI, научные цели