Сверхмалое автономное гидрофизическое судно

Предлагаемая полезная модель сверхмалого автономного гидрофизического судна (САГС) предназначена для выполнения батиметрической и гидрофизической съемки при инженерно-изыскательских и экологических работах в пределах труднодоступных и мелководных участков морских акваторий, портов, морских сооружений, озер, водохранилищ с непрерывной доставкой измеряемых параметров по телеметрическим радиоканалам на центр обработки данных получаемой информации. Изыскания могут выполняться в сложных навигационных и штормовых условиях, в том числе при выполнении оперативных работ на внутренних акваториях портов и гаваней, в акваториях опасных или недоступных для плавания традиционных плавсредств, при минимальных глубинах 0,2 м. Полученная информация в процессе плавания о GPS-координатах, глубине моря и гидрофизических параметрах воды через радиоканал передается в центральный пункт обработки. Важной методической особенностью обследования морских и прибрежных акваторий с помощью флота сверхмалых судов является возможность одновременного применения САГС, с измерительной аппаратурой синхронно работающей в системе единого времени, что существенно повышает эффективность решения задач комплексного мониторинга акваторий. Обводы и архитектура корпуса САГС оптимизированы для достижения наилучшей мореходности в условиях интенсивного волнения. Для уменьшения остаточного рыскания, бортовой и килевой качки предусмотрена установка активных гироскопических стабилизаторов, работающих в потоке ходовых движителей. При разработке и изготовления САГС использована технология судна с уменьшенным моментом инерции действующей ватерлинии (МИДВ). САГС МИДВ способно преодолевать расстояние до 1000 морских миль за период выполнения отдельного эксперимента, решая при этом определенный выше круг задач в удаленных морских и прибрежных акваториях под оперативным управлением по спутниковым телеметрическим каналам связи «Гонец». Водоизмещение САГС составляет порядка 65 кг, при полезной приборной нагрузке 10 кг, длина корпуса 2,5 м, скорость экономического хода 3 узла. В качестве источника питания использованы порядка 40 кг литиевых аккумуляторов, которые обеспечивают непрерывную работу силовых установок в течение 300 часов. Аппаратура САГС питается электроэнергией вырабатываемой солнечными батареями.

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств гидрофизических исследований и может быть использовано, например, при реализации систем экологического мониторинга, а также систем сбора батиметрической информации.

При проведении экологического мониторинга широко используются различные средства гидрофизического наблюдения, в том числе буйковые (заякоренные, дрейфующие) гидрофизические станции. Для проведения долговременных наблюдений в морских акваториях используются автономные буйковые станции (АБС). Такие буи устанавливаются на тросе, якоре в прибрежных зонах и в открытом океане. Оснащенные комплексом метеорологических и океанологических приборов АБС регулярно измеряют и передают полученные данные с помощью радиоканала, в том числе с помощью спутникового канала связи. В настоящее время широко используются дрейфующие АБС местоположения, которых довольно точно определяются с помощью космических навигационных систем GPS или ГЛОНАС. Рассмотренные типы АБС имеют существенный недостаток: заякоренная АБС привязана к одному месту, дрейфующая АБС меняет свое местоположение только в зависимости течений или направления ветра.

В работе [Simon Corfield, Unmanned surface vehicle collects data, International Ocean Systems, September / Oktober, 2001, Volume 5, Number 5, pp.8-9] рассмотрена гидрофизическая самоходная платформа (ГСП), с помощью которой были проведены батиметрические исследования, измерения гидрофизических параметров. Гидрофизическая самоходная платформа, принятая как прототип, управляется по радиоканалу, определение места осуществляется с помощью GPS, передача данных осуществляется по радиоканалу. На ГСП установлена одноцилиндровый дизельный двигатель с мощностью в 8 л/с, который обеспечивает непрерывную работу платформы в течение 8 часов. ГСП имеет следующие размеры: длина - 3 м, ширина - 1,5 м.

Недостатком ГСП является применение в качестве силовой установки, двигателя внутреннего сгорания (одноцилиндровый дизель), что заметно снижает скрытность проведения работ и длительность непрерывной работы (до 8 часов). Также к недостаткам можно отнести использование в качестве плавсредства, плоской платформы, ограничивающей ее использование при плохих погодных условиях.

Предлагаемая полезная модель сверхмалого автономного гидрофизического судна (САГС) предназначена для выполнения батиметрической и гидрофизической съемки при инженерно-изыскательских и экологических работах в пределах труднодоступных и мелководных участков морских акваторий, портов, морских сооружений, таких как нефтедобывающие вышки, озер, водохранилищ с непрерывной доставкой измеряемых параметров по телеметрическим радиоканалам на центр обработки данных (ЦОД) получаемой информации. Изыскания могут выполняться в сложных навигационных и штормовых условиях, в том числе при выполнении оперативных работ на внутренних акваториях портов и гаваней, в акваториях опасных или недоступных

для плавания традиционных плавсредств, при минимальных глубинах от 0,2 м. Полученная информация в процессе плавания о GPS-координатах, глубине моря и гидрофизических параметров воды через радиоканал передается на пункт обработки.

Важной методической особенностью обследования морских и прибрежных акваторий с помощью флота сверхмалых судов является возможность одновременного применения нескольких САГС, с измерительной аппаратурой, синхронно работающей в системе единого времени, что существенно повышает эффективность решения задач комплексного мониторинга акваторий. САГС обеспечивают выполнение следующих морских работ:

- синхронные измерения гидрофизических параметров на акваториях портов и гаваней, а районах проведения морских работ;

- картирование параметров состояния морских вод и построение батиметрических карт при поиске фарватеров и планировании гидротехнических работ;

- проведение экологических обследований поверхности морских акваторий, получение информации об опасных морских явлениях или контроль состояния аварийных инженерных сооружений, выполнение других морских работ, участие человека, в которых опасно или нежелательно.

Обводы и архитектура корпуса САГС оптимизированы для достижения наилучшей мореходности в условиях интенсивного волнения, Для уменьшения остаточного рыскания, бортовой и килевой качки предусмотрена установка активных гироскопических стабилизаторов, работающих в потоке ходовых движителей.

САГС способно преодолевать расстояние до 1000 морских миль, решая при этом определенный выше круг задач в удаленных морских и прибрежных акваториях под оперативным управлением из центра по спутниковым телеметрическим каналам связи «Гонец». Водоизмещение САГС составляет порядка 65 кг, при полезной приборной нагрузке порядка 10 кг, длина корпуса 2,5 м, скорость экономичного хода 3-4 узла. В качестве источника питания использованы порядка 40 кг литиевых аккумуляторов, которые обеспечивают непрерывную работу силовых установок в течение не менее 300 часов. Предусмотрена возможность неограниченного по времени питания электронной аппаратуры САГС электроэнергией, вырабатываемой солнечными батареями.

Сущность полезной модели заключается в том, что в сверхмалой судно построено в корпусе с уменьшенными моментами инерции действующей ватерлинии (МИДВ). Судно МИДВ должно выполнить следующие требования [Храмушин В.Н. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля, Владивосток, Дальнаука, 2003 г.]:

- смещение центра величины в нос за счет развитых бульбовых образований в носовой оконечности (обеспечивается безопасность штормования без хода и стабилизация корпуса корабля, движущегося в штормового волнения);

- существенное снижение величины продольного момента инерции площади действующей ватерлинии и заострение ее в оконечностях (снижается динамическое влияние морского волнения на килевую качку);

- исключение развала бортов, широкой палубы и наклона форштевня вперед в носовой оконечности корпуса (предотвращается слемминг и удары волн по

скуле, достигается устойчивость на штормовом курсе, уменьшается килевая качка);

- уменьшение ширины и непрерывности площади верхней палубы (обеспечивается остойчивость в условиях штормового волнения, при усиленной заливаемости верхней палубы);

- существенное уменьшение надводных объемов в оконечностях с соответствующим перераспределением их в среднюю часть корпуса (стабилизация качки корабля, движущегося на волнении, уменьшается рыскания на курсе, предотвращается захват корпуса попутной волной);

- существенное уменьшение и снижение парусности корпуса и надстроек с перенесением соответствующих помещении внутрь корпуса под верхнюю водонепроницаемую палубу (снимается ограничение на выбор курса штормового плавания и уменьшается динамическое воздействие ветра, волнения и обледенения).

Использование САГС (фиг.1) позволяет использовать его на батиметрических и гидрофизических исследованиях. САГС представляет собой: корпус сверхмалого судна 1, рубка системы телеметрических каналов связи 2 (р/а 2-1, антенны спутниковой системы связи «Гонец», спутниковой системы навигации «Глонасс» 2-2, приемопередатчик и абонентский пункт спутниковой связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 2-3, блок управления телеметрических каналов связи 2-4), источник питания (литиевые аккумуляторы 3-1 и блок питания 3-2), источник солнечной энергии: солнечные батареи 4-1; преобразователь напряжения 4-2; аккумулятор 4-3, гидролокатор бокового обзора: излучатели 5-1; приемники 5-2; аппаратурный блок 5-3, блок управления 6, блок предварительной обработки и накопления информации 7, машинное и рулевое отделения 8, движитель (винт) 9, руль 10. В приборном отсеке 11 наружу в углублениях (чтобы датчики не выступали за поверхность бортов) вынесены 8 гермовводов 12 (по 4 вдоль бортов) для подключения датчиков (например, датчики температуры, электропроводности, давления, рН, растворенного кислорода, редокса, нефтепродуктов, фенола и т.д.). На свободные гермовводы устанавливаются специальные заглушки, с помощью которых «закорачиваются» входы соответствующих информационных каналов. Предусмотрена возможность подключения до 56 забортных буксируемых датчиков.

Герметичный корпус сверхмалого судна представляет собой модель судна и изготовлена с использованием технологии МИДВ. Имеет длину 2,5 м и водоизмещение в 65 кг.

Герметичная рубка телеметрической системы связи 2 изготовлена из радио прозрачного материала. В рубке размешены антенны систем спутниковой связи 2-2 и навигации 2-3, приемопередатчик (радио) и абонентский пункт спутниковой связи «Гонец» и навигации «Глонасс» 2-4, блок управления телеметрических каналов 2-5, наружу вынесена р/антенна 2-1.

Литиевые аккумуляторы 3-1 выложены вдоль бортов и в носовой части САГС, в блоке питания 3-2 формируется ряд напряжений, необходимые для приведения в действие электродвигателей приводов движителя 9 в поворотных насадках с горизонтальными балерами для активной стабилизации бортовой и килевой качки и руля 10.

Источник солнечной энергии состоит из солнечных батарей 4-1, которые выложены на палубе и надежно изолированы от внешней среды радио

прозрачным материалом, преобразователь напряжения 4-2 преобразовывает (повышает) напряжение солнечных батарей до 12 вольт, которое подается на аккумулятор.

Гидролокатор бокового обзора 5 в основном предназначен для решения батиметрических задач. Излучатели 5-1 расположены вдоль днища в центральной части САГС, а приемники 5-2 расположены в центральной части поперек днища, в аппаратурном блоке осуществляется предварительная обработка, накопление батиметрических данных и последующая передача через р/канал на ЦОБ.

Блок управления 6 состоит из: программного устройства 6-1, командной системы 6-2. Программное устройство состоит из корректируемого по радиоканалу таймера и самого программного устройства. Таймер представляет собой электронные часы, ход которого корректируется по радиоканалу оператором из ЦОД по мере необходимости. Программное устройство представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами САГС по заданной программе или по команде полученной по радиоканалу. Командная система 6-2 предназначена для приема команд и передачи гидрофизической информации по радиоканалу. Командная система 6-2 позволяет:

- передавать с ЦОД на САГС команды управления;

- передавать из САГС на ЦОД «квитанцию» о приеме и исполнении на САГС команд управления;

- передавать из САГС на ЦОД (по запросу) цифровую информацию о зарегистрированных сигналах;

- передавать из САГС на ЦОД телеметрическую информацию о работе систем и узлов САГС и исполнении принятых команд;

- передавать на судно об обнаруженных сбоях в аппаратуре САГС.

Блок накопления информации (НИ) 7 предназначен для накопления гидрофизической информации с датчиков 12 из приборного отсека 11 (фиг.2):

- предварительной обработки зарегистрированной информации фильтром (ПФ)-усилителем (У) 7-1, 7-2;

- аналого-цифрового преобразования информации (АЦП) 7-3;

- усреднения оцифрованной информации (УИ) 7-4;

- запоминания информации в буферной памяти ОЗУ 7-5, затем в энергонезависимом запоминающем устройстве CF 7-6.

Блок НИ 7 построен на базе одноплатного микрокомпьютера Persior CF-1. CF-1 построен на микроконтроллере МС68СК338 фирмы Motorola, и включает 1 Mb flash памяти для данных и программ, а также 256 Kb статического ОЗУ 7-5.

Для энергонезависимого хранения данных используется карта Compact Flash (CF) 7-6 объемом от 256 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++.

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 (до 64 каналов), частота дискретизации (частота дискретизации в данной полезной

модели установлена в 1 Гц), размеров буферов данных, режимы диагностики без перекомпиляции и перезагрузки программы накопления.

В целях снижения энергопотребления в процессе накопления используется двухступенчатый буфер. Данные из АЦП 7-3 накапливаются в буфере, находящимся в ОЗУ 7-5. После заполнения этого буфера все его содержимое переносится в буфер большего размера, который расположен в специальном разделе Compact Flash 7-6.

В машинном и рулевом отделении 8 в качестве приводов движителя 9 и руля 10 используются маломощные электродвигатели постоянного тока. В качестве движителя 9 применен 3-лопастной винт в поворотных насадках с горизонтальными балерами для активной стабилизации бортовой и килевой качки.

Работа САГС (при работе с одним или с несколькими САГС) заключается в следующем.

Перед началом работы проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы САГС в программное устройство 6-1. После цикла подготовки САГС с обеспечивающего судна либо с пирса, либо с любых других мест (координаты начальной точки обязательным образом должны быть занесены в программное устройство) отправляют на плавание. С этого момента САГС начинает выполнять работу по программе, заложенной в программном устройстве 6-1. Определение места САГС осуществляется по спутниковой системе навигации «Глонасс». Наблюдение за выполнением, заданном в программном устройстве, работы осуществляется с ЦОД. В случае отклонения от заложенной программы или в случае изменения программы работ вводят соответствующую корректировку по радиоканалу (на больших расстояниях по спутниковому каналу связи «Гонец»). По радиоканалу САГС выдает запрашиваемую ЦОД гидрофизическую информацию. В случае превышения гидрофизических данных заданных порогов (случай выполнения САГС задачи экологического мониторинга) САГС самостоятельно производит передачу тревожной информации на ЦОД. По окончании работ САГС должна подойти к конечной точке, заложенной в программе, где производится выборка САГС. После выборки САГС проходит полный цикл поверочных мероприятий и только затем производят выемку НИ 7 с целью проведения дальнейшей обработки данных.

1. Сверхмалое автономное гидрофизическое судно (САГС) содержащее корпус сверхмалого судна с расположенным внутри корпуса приводами, движителем, батиметрическим оборудованием и гидрофизическими датчиками и аппаратурой, системой радиосвязи, в том числе спутниковой системой связи, спутниковой системой навигации, отличающееся тем, что в качестве источника питания силовых установок использованы литиевые аккумуляторы.

2. САГС по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника питания аппаратуры использованы солнечные батареи.

3. САГС по п.1, отличающееся тем, что в качестве силовых установок используется электропривод.

4. САГС по п.1, отличающееся тем, что в качестве корпуса использована модель судна, изготовленного по технологии с уменьшенным моментом инерции действующей ватерлинии.

5. САГС по п.1, отличающее тем, что передача накопленной гидрофизической информации и оперативное управление осуществляется, в том числе по спутниковому каналу связи "Гонец".

6. САГС по п.1, отличающееся тем, что в качестве накопителя информации используется двухступенчатый буфер на базе оперативного запоминающего устройства (256 Кб) и флэш-карты (256 Мб).