Sualtı akustik konumlandırma sistemi - Underwater acoustic positioning system

Bir sualtı akustik konumlandırma sistemi , akustik mesafe ve/veya yön ölçümleri ve müteakip konum nirengi yoluyla sualtı araçlarının veya dalgıçların izlenmesi ve navigasyonu için bir sistemdir. Sualtı akustik konumlandırma sistemleri, petrol ve gaz arama, okyanus bilimleri , kurtarma operasyonları, deniz arkeolojisi , kolluk kuvvetleri ve askeri faaliyetler dahil olmak üzere çok çeşitli sualtı çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır .

çalışma yöntemi

Şekil 1, bir akustik konumlandırma sisteminin genel çalışma yöntemini açıklamaktadır; bu, ROV için bir uzun taban çizgisi (LBL) konumlandırma sistemine bir örnektir.

Şekil 1: ROV için Uzun Taban Çizgisi (LBL) akustik konumlandırma sisteminin çalışma yöntemi
Temel istasyon konuşlandırması ve araştırması

Akustik konumlandırma sistemleri, operasyonlardan önce konuşlandırılması gereken bir temel istasyon çerçevesine göre konumları ölçer. Uzun temel (LBL) sistemi durumunda, deniz tabanına bir dizi üç veya daha fazla temel transponder yerleştirilir. Temel transponderlerin ya birbirlerine göre ya da global koordinatlardaki konumu daha sonra kesin olarak ölçülmelidir. Bazı sistemler, bu göreve otomatik bir akustik kendi kendine anket ile yardımcı olur ve diğer durumlarda , konuşlandırılırken veya konuşlandırıldıktan sonra her temel transponderin konumunu belirlemek için GPS kullanılır.

İzleme veya navigasyon işlemleri

Temel konuşlandırma ve incelemenin ardından akustik konumlandırma sistemi operasyonlar için hazırdır. Uzun temel örnekte (bakınız şekil 1), izlenecek ROV'ye bir sorgulayıcı (A) monte edilmiştir. Sorgulayıcı, temel transponderler (B, C, D, E) tarafından alınan bir akustik sinyali iletir. Temel transponderlerin cevabı ROV'da tekrar alınır. Uçuş süresi sinyali veya ilgili AB, AC, AD ve AE mesafeleri, ROV göbek bağı (F) aracılığıyla ROV konumunun hesaplandığı ve bir izleme ekranında görüntülendiği yüzeye iletilir. Akustik mesafe ölçümleri , üç boyutlu su altı boşluğunda daha iyi konumlandırma doğruluğu elde etmek için derinlik sensörü verileriyle artırılabilir .

Akustik konumlandırma sistemleri, birkaç santimetreden onlarca metreye kadar bir doğruluk sağlayabilir ve onlarca metreden onlarca kilometreye kadar çalışma mesafesinde kullanılabilir. Performans, büyük ölçüde konumlandırma sisteminin tipine ve modeline, belirli bir iş için konfigürasyonuna ve çalışma sahasındaki sualtı akustik ortamının özelliklerine bağlıdır.

sınıflar

Sualtı akustik konumlandırma sistemleri genellikle üç geniş tip veya sınıfa ayrılır.

Uzun taban hattı (LBL) sistemleri , yukarıdaki şekil 1'de olduğu gibi, bir deniz tabanı taban hattı transponder ağı kullanır. Aktarıcılar tipik olarak operasyon sahasının köşelerine monte edilir. LBL sistemleri, çok sağlam konumlarla birlikte genellikle 1 m'den daha iyi ve bazen 0,01 m'ye varan çok yüksek doğruluk sağlar. Bunun nedeni, transponderlerin çalışma sahasının kendisinin referans çerçevesine (yani deniz tabanına) kurulmasıdır. ), geniş transponder aralığı, konum hesaplamaları için ideal bir geometri ile sonuçlanır ve LBL sistemi (potansiyel olarak uzak) deniz yüzeyine akustik bir yol olmadan çalışır.

Ultra kısa taban çizgisi (USBL) sistemleri ve ilgili süper kısa taban çizgisi (SSBL) sistemleri, tipik olarak güçlü, sert bir sistemin alt ucuna monte edilen küçük (ör. 230 mm çapında), sıkıca entegre edilmiş dönüştürücü dizisine dayanır. Bir yüzey kabının yanına veya bazı durumlarda tabanına monte edilen dönüştürücü direği. Çoklu mesafeleri ölçerek konumu belirleyen LBL ve SBL sistemlerinden farklı olarak, USBL dönüştürücü dizisi, sinyal çalışma süresini kullanarak dönüştürücü kutbundan hedef mesafeyi ve görüldüğü gibi yanıt sinyalinin faz kaymasını ölçerek hedef yönü ölçmek için kullanılır. dönüştürücü dizisinin bireysel öğeleri tarafından. Mesafe ve yön kombinasyonu, izlenen hedefin yüzey gemisine göre konumunu sabitler. GPS, bir cayro veya elektronik pusula ve dikey bir referans birimi dahil olmak üzere ek sensörler daha sonra yüzey gemisinin ve dönüştürücü direğinin değişen konumunu ve yönünü (eğim, yuvarlanma, yön) telafi etmek için kullanılır. USBL sistemleri, deniz tabanı transponder dizisi gerektirmeme avantajını sunar. Dezavantajı, konumlandırma doğruluğu ve sağlamlığının LBL sistemleri kadar iyi olmamasıdır. Bunun nedeni, bir USBL sistemi tarafından çözülen sabit açının, daha büyük bir mesafede daha büyük bir konum hatasına dönüşmesidir. Ayrıca, USBL dönüştürücü kutup konumu ve oryantasyon telafisi için gereken çoklu sensörlerin her biri ek hatalara neden olur. Son olarak, su altı akustik ortamının düzensizliği, USBL konumlandırma üzerinde LBL geometrisinden daha büyük bir etkiye sahip olan sinyal kırılmalarına ve yansımalara neden olur.

Kısa temel (SBL) sistemleri , kabloyla merkezi bir kontrol kutusuna bağlanan üç veya daha fazla ayrı sonar dönüştürücüden oluşan bir temel kullanır. Doğruluk, dönüştürücü aralığına ve montaj yöntemine bağlıdır. Büyük bir çalışma mavnasından çalışırken veya bir rıhtımdan veya başka bir sabit platformdan çalışırken daha geniş bir boşluk kullanıldığında, performans LBL sistemlerine benzer olabilir. Dönüştürücü aralığının dar olduğu küçük bir tekneden çalıştırırken doğruluk azalır. USBL sistemleri gibi, SBL sistemleri de sıklıkla teknelere ve gemilere monte edilir, ancak özel dağıtım modları da yaygındır. Örneğin, Woods Hole Oşinografi Enstitüsü , Jason derin okyanus ROV'sini ilişkili MEDEA bastırıcı ağırlığına göre 9 cm'lik bir doğrulukla konumlandırmak için bir SBL sistemi kullanır.

GPS akıllı şamandıralar (GIB) sistemleri, dönüştürücülerin yerini GPS tarafından kendi kendine konumlandırılan yüzer şamandıraların değiştirdiği ters LBL cihazlarıdır. İzlenen konum, su altı cihazı tarafından gönderilen akustik sinyallerin Varış Zamanından (TOA) yüzeyde gerçek zamanlı olarak hesaplanır ve şamandıralar tarafından elde edilir. Bu konfigürasyon, LBL sistemlerine benzer bir doğrulukla hızlı, kalibrasyonsuz dağıtıma izin verir. LBL, SBL veya USBL sistemlerinin aksine, GIB sistemleri, emitörden şamandıralara tek yönlü akustik sinyaller kullanarak yüzey veya duvar yansımalarına karşı daha az hassas olmasını sağlar. GIB sistemleri, AUV'leri, torpidoları veya dalgıçları izlemek için kullanılır, uçakların kara kutularını lokalize etmek için kullanılabilir ve silah testi ve eğitim amaçlı atıl veya canlı silahların etki koordinatlarını belirlemek için kullanılabilir referanslar: Sharm-El-Sheih , 2004; Soçi, 2006; Kayers, 2005; Kayseri, 2006; Cardoza, 2006 ve diğerleri...).

Tarih ve kullanım örnekleri

Şekil 2a: USS Thresher denizaltısının enkazına yapılan arama dalışları sırasında USNS Mizar'a akustik kısa temel (SBL) konumlandırma sistemi kuruldu
Şekil 2b: bathyscaphe Trieste için akustik konumlandırma sistemi tarafından destekli harman

Sualtı akustik konumlandırma sistemlerinin erken kullanımı, bu sistemlerin modern gelişiminin başlatılmasıyla ilişkilendirildi, Amerikan nükleer denizaltısı USS Thresher'ın 10 Nisan 1963'te 2560 m su derinliğinde kaybolmasını içeriyordu . Oşinografik gemi USNS Mizar'a bir akustik kısa temel (SBL) konumlandırma sistemi kuruldu . Bu sistem, batiskaf Trieste 1'i enkaz alanına yönlendirmek için kullanıldı . Yine de, teknolojinin durumu hala o kadar zayıftı ki, Trieste 1'in yaptığı on arama dalışından enkazla sadece bir kez görsel temas kuruldu. Akustik konumlandırma, 1966'da, İspanya kıyılarında denizde bir B-52 bombardıman uçağının çökmesi sırasında kaybedilen bir nükleer bombanın aranmasına ve ardından kurtarılmasına yardımcı olmak için tekrar kullanıldı .

1970'lerde, daha derin sularda petrol ve gaz araştırmaları, sondaj dizilerini daha önce kapsamlı sismik enstrümantasyona atıfta bulunulan tam konuma yerleştirmek ve diğer su altı inşaat görevlerini gerçekleştirmek için geliştirilmiş sualtı konumlandırma doğruluğu gerektiriyordu.

Şekil 3: Rus derin deniz denizaltıları MIR-1 ve MIR-2 , 1998'de Japon denizaltısı I-52'nin enkaz alanını aradı. Birden fazla dalışta ilerlemekte olan aramayı yönlendirmek ve belgelemek için bir LBL konumlandırma sistemi kullanıldı.

Ancak, teknoloji başka uygulamalarda da kullanılmaya başlandı. 1998'de, kurtarıcı Paul Tidwell ve şirketi Cape Verde Explorations , Atlantik'in ortasındaki 2. Dünya Savaşı Japon kargo denizaltısı I-52'nin enkaz bölgesine bir sefer düzenledi . 5240 metre derinlikte bulunan gemi, 1995 yılında yan taramalı sonar ve su altı çekme kızağı kullanılarak tespit edilmiş ve tespit edilmişti. Savaş zamanı kayıtları, I-52'nin 49'da 146 külçe altın içeren bir kargo ile Almanya'ya bağlı olduğunu gösteriyordu. metal kutular. Bu kez, Bay Tidwell'in şirketi , iki insanlı derin okyanus dalgıçları MIR-1 ve MIR-2 (şekil 3) ile Rus oşinografik gemisi Akademik Mstislav Keldysh'i kiralamıştı . Enkaz alanında hassas navigasyonu kolaylaştırmak ve kapsamlı bir aramayı sağlamak için MIR-1 , ilk dalışta uzun bir temel transponder ağı yerleştirdi. Her bir dalgıç tarafından yapılan yedi dalıştan sonra, enkaz alanı aşamalı olarak arandı. LBL konumlandırma kaydı, her dalıştan sonra genişleyen arama kapsamını göstererek, ekibin bir sonraki dalış sırasında henüz aranmamış alanlara konsantre olmasına izin verdi. Altın bulunamadı, ancak konumlandırma sistemi aramanın kapsamını belgelemişti.

Son yıllarda, sualtı akustik konumlandırmada çeşitli eğilimler ortaya çıkmıştır. Bunlardan biri, performansı artırmak için LUBL konfigürasyonunda LBL ve USBL kombinasyonu gibi bileşik sistemlerin tanıtılmasıdır. Bu sistemler genellikle açık deniz petrol ve gaz sektöründe ve diğer üst düzey uygulamalarda kullanılır. Diğer bir trend, çeşitli özel amaçlar için kompakt, görev için optimize edilmiş sistemlerin tanıtılmasıdır. Örneğin, Kaliforniya Balık ve Av Hayvanları Departmanı, bir trol avı sırasında bir balık örnekleme ağının açılış alanını ve geometrisini sürekli olarak ölçen bir sistem (şekil 4) devreye aldı. Bu bilgi, departmanın Sacramento Nehri Deltası'ndaki balık stoku değerlendirmelerinin doğruluğunu geliştirmesine yardımcı olur .

Şekil 4: NetTrack, doğru balık stoğu değerlendirmesi amacıyla bir trol ağının açılma geometrisini ve alanını ölçmek üzere tasarlanmış, SBL tipi özel amaçlı bir sualtı akustik konumlandırma sisteminin bir örneğidir. Sol: Dört küçük yanıtlayıcı (A, B, C, D) trol ağı açıklığının köşelerine monte edilmiştir ve bağlantı şişesi (E) ve göbek (F) aracılığıyla bir yüzey istasyonu bilgisayarına bağlanmıştır. Merkez: Ağ dağıtılır. Sağ: Yüzey istasyonu bilgisayarı, diğer yanıtlayıcılara (örn. B, C, D) alma talimatı verirken, bir yanıtlayıcıya (örn. A) iletme talimatı gönderir. Bu yöntemle altı mesafenin tümü (AB, AC, AD, BC, BD, CD) ölçülür. Açıklığın dört kenarı ve bir diyagonal, trol ağı açıklık geometrisini ve alanını üçgenlemek için kullanılır. İkinci diyagonal, veri kalitesi doğrulaması için bir ölçüm hatası metriğini hesaplamak için kullanılabilir.

Referanslar

  1. ^ Rhode Island Üniversitesi: Denizde Sesin Keşfi
  2. ^ Sualtı Akustik Konumlandırma Sistemleri, PH Milne 1983, ISBN  0-87201-012-0
  3. ^ The ROV Manual, Robert D. Christ ve Robert L. Wernli Sr 2007, sayfa 96-103, ISBN  978-0-7506-8148-3
  4. ^ Milne , bölümler 3-5
  5. ^ Christ ve Wernli , bölümler 4.2.6-4.2.7
  6. ^ MIT Derin Su Arkeolojisi Araştırma Grubu
  7. ^ BP Foley ve DA Mindell, "Derin Sularda Hassas Araştırma ve Arkeolojik Metodoloji", ENALIA The Journal of the Hellenic Institute of Marine Archaeology, Vol. VI, 49-56, 2002
  8. ^ Milne , 4. bölüm
  9. ^ İsa ve Wernli , bölüm 4.2.6.3
  10. ^ Hassas Göreli Konumlandırmayı JASON/MEDEA ROV Operasyonlarına Entegre Etme, Bingham ve diğerleri, MTS Journal Spring 2006 (Cilt 40, Sayı 1)
  11. ^ Kayser, JR, Cardoza, MA, et. al., "Bir GPS Akustik Silah Test ve Eğitim Sisteminden Silah Puanlama Sonuçları", Navigasyon Enstitüsü Ulusal Teknik Toplantısı, San Diego, CA, 24-26 Ocak 2005
  12. ^ Cardoza, MA, Kayser, JR ve Wade, B. "Hassas Güdümlü Mühimmatların Açık Deniz Puanlaması",GNSS'nin içinde Nisan 2006, sayfa 32-39
  13. ^ Cardoza, Miguel A.; Kayser, Jack R.; Wade, William F.; Bennett, Richard L.; Merts, John H.; Casey, David R. (10 Mart 2005). Hızla Dağıtılan Gerçek Zamanlı Akustik Sensörleri Kullanarak Açık Deniz Silah Puanlaması (PDF) . 21. Yıllık Ulusal Test ve Değerlendirme Konferansı . Charlotte, Kuzey Karolina.
  14. ^ Milne , Bölüm 2
  15. ^ Christ ve Wernle , sayfa 96
  16. ^ Milne , Bölüm 3
  17. ^ Christ ve Wernli , bölüm 4.2.1
  18. ^ Son Dalış, National Geographic Dergisi Ekim 1999
  19. ^ Esnek Akustik Konumlandırma Sistemi Mimarisi, Davis, MTS Dinamik Konumlandırma Konferansı 2002

Dış bağlantılar