Разработка системы передачи цифровой информации в арктических сетях подводного мониторинга - Магистерская работа

Приняв ответы от всех станций, попадающих в диаграмму направленности антенны, расположенной в данной базовой опорной точке, посчитаем количество АДС, которые попадает в диаграмму направленности антенны, расположенной в базовой опорной точке. Как видно из рисунка 2.4, зная величину смещения базовой опорной точки от профиля, мы не можем точно сказать, в какую сторону от профиля смещена данная базовая опорная точка, поэтому для снятия данной неопределенности сместим данную точку в направлении перпендикулярном профилю (см. рисунок 2.6 точка ), на расстояние которое было определено по рисунку 2.4. В существующей системе, предназначенной для работы на открытой воде, управление донными станциями осуществляется с помощью аппаратуры гидроакустической связи, управления и навигации «Марина 2», разработанной в СИБГУТИ, посредством передачи станциям с обслуживающего судна команд управления, в ответ на которые станции посылают в обратном направлении квитанции, свидетельствующие об исполнении (неисполнении) команды или пакеты слова состояния, несущие в себе информацию о состоянии подсистем АДС [4]. В качестве наиболее перспективных способов, для реализации телеуправления работой донных станций, находящихся подо льдом, можно предложить 3 варианта: первый - передача сигналов телеуправления по цепочке от станции к станции (рисунок 2.10); второй - передача сигналов телеуправления через систему дополнительных ретрансляторов, устанавливаемых вдоль профиля, над донными станциями (рисунок 2.11); третий - осуществление телеуправления работой АДС с помощью автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), (рисунок 2.12). Время распространения сигнала от ретранслятора до его «подопечных» донных станций , определяется временем распространения сигнала от ретранслятора до наиболее удаленной от него станции его группы (первой или последней): , (2.33) где - расстояние от ретранслятора до первой (последней) донной станции в группе его подопечных «подопечных» АДС (рисунок 2.14): , (2.33) где: - расстояние от центра группы донных станций, закрепленных за ретранслятором до первой (последней) станции в группе: .В ходе выполнения данной работы была показана возможность реализации технологии «Тотальной донной сейсморазведки», применяемой для поиска углеводородного сырья на шельфе, на открытой воде, так же и на акваториях находящихся подо льдом. Было показано, что решение задачи определения местоположения АДС на дне и задачи телеуправления работой донных станций может быть осуществлено с применением штатной аппаратуры гидроакустической связи, управления и навигации «Марина 2», разработанной в НТЦ СИС, СИБГУТИ. Была доказана необходимость введения в состав подобной сети автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), с помощью которого целесообразно осуществлять по гидроакустическому каналу связи телеуправление работой АДС, устанавливаемых на профиле, а съем необходимой сейсмической информации следует осуществлять по оптическому каналу связи информации, хранящейся в АДС.

сейсморазведка автономный подводный

Арктический шельф хранит в себе колоссальные запасы нефти и природного газа. Суровая природа затрудняет поиск там полезных ископаемых. Но уже разведаны месторождения нефти и природного газа на шельфе Карского и Баренцева морей, у берегов Аляски и Канады. На дне морей Лаптевых и Восточно-Сибирского обнаружены отложения, богатые различными рудами [1]. Отсюда желание приарктических стран расширить зоны своих континентальных шельфов. Об этом уже заявили США, Канада, Норвегия и Дания. С ними России предстоит вести борьбу, отстаивая в ООН свое право на богатства в условном треугольнике Архангельск - Северный полюс - Чукотка.

По сложившейся практике страна может получить право контроля над морским дном за пределами 200-мильной экономической зоны, если сможет предоставить доказательство того, что это дно является продолжением ее континентального шельфа [1]. Стратегическая цель России - восстановить, укрепить и защитить статус России в Арктике [2]!

Чтобы убедительно заявить, что в зону своих стратегических интересов Россия никого не пустит, необходим соответствующий комплекс научно-технологического обеспечения независимой, лидирующей деятельности России на шельфе Арктики и морей Дальнего Востока. Новые российские арктические экспедиции - лишь начало работ в этом направлении. Будущее Арктики не предопределено. Совершенно очевидно лишь одно: те страны, которые могут создать наиболее передовой научно-технологический комплекс обеспечения исследований, освоения, охраны и защиты шельфа Арктики, и будут ее реальными хозяевами в XXI веке. Российские и советские традиции освоения «Севера» и Дальнего Востока должны быть продолжены [2].

Одной из перспективных технологий разведки углеводородных месторождений на шельфе, является технология «Тотальной донной сейсморазведки», разработанная Санкт-Петербуржской компанией «Сейсмо-Шельф» [3]. Технология основывается на использовании автономных самовсплывающих донных станций (АДС), расставляемых, приблизительно через 50 м вдоль профиля длиной около 10 км.

Технология «Тотальной донной сейсморазведки» может являться одним из важных методов, обеспечивающих сбор объективных доказательств в пользу того, что дно участка Северного Ледовитого Океана, на которое претендует РФ является продолжением ее арктического шельфа. Сложность сбора доказательств заключается в том, что он должен осуществляться на акваториях преимущественно покрытых льдом. Поэтому, при реализации этого проекта следует опираться на безоператорные технологии, которые предполагают применение сетевых принципов организации, которые основаны на передаче под водой больших объемов цифровой информации и решении вопросов дистанционного управления и навигации. Исследование этих вопросов осуществляется на примере технологии «Тотальной донной сейсморазведки» при проведении исследований подо льдом.

1. Применение сетевых принципов при проведении географических исследований на шельфе. Технология тотальной донной разведки

Для сейсмо- и гидропоиска углеводородов на шельфе Северного-Ледовитого океана компанией «Сейсмо-Шельф» была разработана технология тотальной донной сейсморазведки, на основе малогабаритных автономных донных станций [4], которая не создает помех судоходства и рыболовству, может осуществляться вблизи искуственных сооружений. Данная технология позволяет повысить точность исследований, снизить их себестоимость.

На 71-й конференции EAGE в Амстердаме, в приветственной речи, открывающий конференцию, Phill Chistie отметил данную технологию, как одну из «прорывных технологий XXI века» [5].

Основу технологии составляют устанавливаемые вдоль профиля на берегу и на шельфе, на расстоянии приблизительно 50 м друг от друга автономные сейсмостанции, регистрирующие сейсмические колебания. При этом на суше станции устанавливаются как отдельные регистрирующие модули, на мелководье (до 20 м) - в виде гирлянды с подвсплываюшим буем, на глубокой воде (до 1000 метров) как отдельные самовсплывающие модули (рисунок 1.1). Обычно на профиле устанавливается до 220 донных и до 20 сухопутных станций.

После того, как донные станции установлены, центру управления необходимо знать их местоположение и их готовность к работе. Для получения геофизической информации о нахождении углеводородных соединений в морском дне, в нем создается возбуждение, и сейсмостанции регистрируют реакцию морского дна на возбуждение. Собрав воедино данные со всех станций, можно получить картину залегания углеводородного сырья в морском дне.

Возбуждение на каждом из сегментов перехода «суша-море» обеспечивается стандартными источниками: вибросейсами, специализированными мелководными пневмопушками, групповым пневмоисточником [4].

Расположение на дне сейсмостанции позволяет избежать шумов, связанных с волнением моря и регистрировать 4 компонента сейсмического поля (три геофона и гидрофон).

Автономная донная станция (АДС), внешний вид которой изображен на рисунке 1.2, представляет собой герметичную сферу, внутри которой находится аппаратура регистрации сейсмических колебаний, модуль аппаратуры гидроакустической связи и управления, флэш-память для хранения данных, полученных в ходе регистрации сейсмических колебаний, аккумулятор для питания аппаратуры регистрации и аппаратуры гидроакустического канала связи. Снаружи корпуса АДС находится приемопередающая гидроакустическая антенна, гидрофон для регистрации сейсмических колебаний в воде.

Автономная донная станция имеет положительную плавучесть, поэтому для спуска на дно используется бетонный якорь, который крепится с помощью специального пускового механизма. При необходимости завершить исследования и собрать АДС, по гидроакустическому каналу связи им передается команда на сброс балласта. При получении АДС такой команды активизируется пусковой механизм, бетонный якорь отделяется и станция всплывает.

Для того чтобы провести исследования должным образом, необходимо, чтобы техническое состояние АДС находилось в пределах допустимых норм (достаточный запас свободной памяти, достаточный запас по питанию), а так же чтобы расположенная на дне станция была ориентирована приемопередающей антенной вертикально вверх. В противном случае, необходимо поднимать донную станцию, и после исправления замеченных дефектов заново ее устанавливать.

Донные станции оснащены аппаратурой гидроакустического канала связи «Марина-2». Приведем в кратце ее технические характеристики: 1.) Аппаратура гидроакустического канала связи (ГАКС) предназначена для обеспечения морских геофизических исследований с помощью автономных донных станций, объединенных в измерительную сеть.

2.) По характеру обмена сигналами аппаратура гидроакустического канала связи представляет собой аппаратно-программный комплекс, который по функциональным признакам можно разделить на следующие составные части: - донные модули ГАКС (ДМ-ГАКС) по числу АДС в сети;

- судовую приемно-обрабатывающая аппаратура (СПОА), включающую в себя: а) судовую управляющую ЭВМ б) специальное программное обеспечение «GALS-М2» для судовой управляющей ЭВМ, в) бортовой модуль ГАКС (БМ-ГАКС);

- эксплуатационная документация (ЭД) [4].

3.) Судовая приемно-обрабатывающая аппаратура предназначена для: - передачи на донные модули аппаратуры ГАКС команд управления;

- приема от донных модулей аппаратуры ГАКС квитанций о приеме и исполнении на АДС команд управления;

- приема информации о состоянии АДС на дне;

- определения наклонного расстояния до АДС;

- текущий контроль качества функционирования аппаратуры ГАКС;

- отображения на мониторе и регистрации на машинном носителе протокола обмена сигналами с донными станциями.

4.) Донные модули ГАКС устанавливаются в корпусе АДС, через них осуществляется управление устройствами донной станции.

Донные модули ГАКС обеспечивают: - прием от СПОА команд управления;

- передачу на СПОА квитанций о приеме и исполнении на АДС команд управления;

- передачу на СПОА по запросу информации о состоянии устройств АДС;

- переход по команде в режим гидроакустического маяка

В связи с претензиями РФ на арктический шельф, необходимо осуществлять сбор доказательств в пользу, что дно арктического шельфа, является продолжением континентальной зоны РФ.

Если удастся собрать все необходимые доказательства, то Россия сможет осуществлять добычу нефти и газа на шельфе Северного-ледовитого Океана. Одновременно собранные доказательства позволят объективно оценить потенциальные запасы полезных ископаемых.

Наличие ледяного покрова осложняет процедуру сбора сейсмических данных. Описанный выше вариант постановки донных станций оказывается неприемлемым. Поэтому следует ориентироваться на ледокол, либо на постановку станций посредством бурения лунок во льду.

Схема работ в сложных ледовых условиях выглядит следующим образом: Ледокол прокладывает полосу свободной воды, по которой идет научно-исследовательское судно (НИС) с сейсмическим оборудованием. (Рисунок 1.3) [4].

Как правило, НИС буксирует короткую плавающую сейсмическую косу длиной порядка 300 метров и производит возбуждение сейсмических сигналов. Так как короткая коса не позволяет произвести оценки скоростей в среде и получить глубинный разрез, с некоторым шагом, зависящим от геологического строения исследуемого региона, выставляются Плавающие сейсмические модули (ПСМ), которые в режиме реального времени непрерывно передают всю сейсмическую информацию на борт судна.

Схема работ в сложных ледовых условиях [4]

МОВ - метод отраженных волн, МПВ - метод преломленных волн, ПСВ - плавающий сейсмический модуль (В данном случае ПСМ рассматриваются как не лучшая альтернатива АДС).

По данным ФГУП «Росатомфлот» [6] - аренда атомного ледокола обойдется нанимателю в 65 000 - 70 000 долларов в сутки. Аренда НИС обойдется примерно в такую же сумму.

Такой способ весьма затратный, а качество сейсмических данных, собранных с помощью плавающих сейсмических модулей, существенно хуже, чем данных собранных с помощью автономных донных станций ПСМ регистрируют, колебания в отраженных волнах, а АДС регистрируют колебания в самом дне [7]. Эта технология является более ранней по отношению к технологии с использованием автономных донных станций.

Поэтому в качестве альтернативы такому способу проведения сейсморазведки хотелось бы оценить возможность реализации технологии тотальной донной сейсморазведки на акваториях, покрытых льдом. Решить вопрос можно предложить расставлять донные станции со льда, предварительно во льду отверстия с помощью бурильной установки [8], [9]. Хотя данный вариант является тоже весьма затратным (около 3 млн. р. в сутки [8] за аренду буровой установки), и трудоемким (доставка буровой установки в район проведения испытаний). Однако такой вариант проведения сейсморазведки не всегда возможен по причине движения и торосистости льда [10].

2. Пути реализации технологии тотальной донной сейсморазведки подо льдом

2.1 Особенности реализации технологии «Тотальной донной сейсморазведки» подо льдом

Традиционная технология тотальной донной сейсморазведки. Данная технология включает в себя последовательность технологических операций: 1) Постановка АДС вдоль профиля;

2) Проверка работоспособности АДС после их постановки

3) Определение местоположения АДС на дне;

4) Проведение геофизических измерений;

5) Подъем донных станций на поверхность;

6) Считывание данных геофизических измерений из ПЗУ АДС.

При этом часть этих операций может выполняться одновременно. Например, операция определения местоположения АДС на дне обычно проводится одновременно с операцией проверки работоспособности АДС после их постановки на дно.

Возможность одновременного выполнения указанных технологических операций базируется на комплексном использовании сигналов телеуправления и телеметрии в качестве навигационных сигналов. Наличие льда на акватории создает дополнительную специфику в реализации у казанных технологических операций. Рассмотрим более детально особенности реализации каждой из упомянутых технологических операций.

Постановка автономных донных станций на акватории, покрытой льдом, может осуществляться несколькими способами.

Первый способ - использование ледокола для прокладывания полосы свободной воды и установки с него донных станций.

Второй способ - ставить автономные донные станции через полыньи, в таком случае требуется доставка донных станций на лед с помощью какого-либо транспортного средства, так же возможно бурение лунок во льду.

Третий способ - постановка донных станций с использованием подводного носителя, например, подводной лодки класса «подводный минный заградитель» [11]. Используя ее механизм для постановки мин в качестве механизма для постановки донных станций. Лодка должна пройти вдоль профиля, расставляя автономные донные станции.

Технология постановки АДС выходит за рамки данных исследований и в настоящей работе не рассматривается.

Проверка работоспособности станций и определение их местоположения.

Для проверки работоспособности АДС, установленных на дно с поверхности (с судна, со льда) с помощью аппаратуры гидроакустического канала связи (ГАКС) передаются последовательности команд управления, по которым процессором донной АДС проверяется работоспособность их устройств и передается в обратном направлении соответствующее сообщение. Если станция исправна, то она отвечает на запрос.

Определение местоположения станции на дне может совмещаться с проверкой работоспособности, и основывается на определении наклонного расстояния от АДС до, минимум, трех опорных точек на поверхности, в которых находится соответствующее оборудование ГАКС.

Проведение геофизических измерений, с точки зрения информационного обмена предполагает осуществление дистанционного управления работой АДС, которое позволяет изменять режимы работы донных станций: включать и выключать регистрацию геофизической информации, проверять состояние памяти, источников питания, осуществлять управление передавать зарегистрированную информацию на поверхность и так далее.

Доставка собранной информации на поверхность. Информация, полученная в ходе проведения измерений геофизической информации, записывается в ПЗУ автономных донных станций, и по требованию должна доставляться на поверхность. Принципиально существуют несколько вариантов доставки данных измерений на поверхность.

Традиционно в технологии «Тотальной донной сейсморазведки» данные измерений извлекаются из АДС после их подъема на судно. На акваториях, покрытых льдом, массовое применение такого варианта съема данных измерений вызывает сомнения в реализуемости. Такой вариант называется прямой передачей данных, полученных в ходе измерений, по гидроакустическому каналу связи.

Возможен вариант передачи информации на поверхность через кабельную линию связи.

Еще один предполагаемый вариант - съем информации с АДС, находящихся на дне, с помощью специального необитаемого автономного аппарата (АНПА). При этом должна быть решена задача приведения подводного аппарата к АДС.

Подъем станций. После того, как донные станции выполнили свою задачу, их необходимо поднять на поверхность, собрать и доставить на базу, до следующего момента проведения испытаний.

Традиционная схема подъема донных станций по окончании измерений предполагает отцепление по команде управления якоря-балласта, удерживающего АДС на дне, их всплытие на поверхность.

Реализация этой технологии на акваториях покрытых льдом представляется весьма проблематичной. Поэтому подъем АДС может осуществляться с помощью специального автономного подводного аппарата. При этом должна быть решена задача приведения подводного аппарата к донным станциям.

2.2

Определение местоположения и проверка работоспособности автономных донных станций

Определение местоположения станций основано на измерении наклонной дальности между антеннами донных станций и антеннами регистрирующих модулей.

Будем считать, что донная станция располагается на дне на глубине .

На поверхности, в трех базовых точках с известными координатами, не лежащими на одной прямой, устанавливаются три полукомплекта аппаратуры гидроакустической связи, гидроакустические антенны которых спускаются под лед (под воду), на глубину .

Из базовых точек осуществляем измерение наклонных дальностей до АДС.

Местоположением АДС можно считать точку пересечения трех сфер, центрами которых являются антенны погружных модулей ГАКС, находящихся в базовых опорных точках. Радиусы сфер равны расстояниям от антенн погружных модулей ГАКС до антенн донных станций (см. рисунок 2.1).

Можно так же определять местоположение донной станции с применением одного полукомплекта ГАКС, последовательно перемещаемого по трем заданным базовым точкам (В случае нехватки полукомплектов ГАКС).

Так как глубина постановки АДС известна, то определение ее местоположения может быть сведено к нахождению точки пересечения трех окружностей радиуса , являющихся проекциями диаграмм направленности поверхностных антенн, на условную горизонтальную плоскость, находящуюся на уровне гидроакустической антенны донной станции (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.1 - Пояснение к определению местоположения станции

Рисунок 2.2 - Определение местоположения АДС на основе проекций диаграмм направленности

Величина горизонтального расстояния от проекции диаграммы направленности антенны до АДС равна: (2.1)

Наклонное расстояние определяется как произведение скорости звука на время распространения акустического сигнала между антенной погружного модуля ГАКС поверхностного базового элемента и антенной АДС.

Решая систему трех уравнений:

(2.2) где - координаты соответствующих базовых точек, находим координаты АДС.

Такой подход к определению координат АДС на дне справедлив при предположении отсутствии рефракции и прямолинейности распространения акустических сигналов между антеннами, находящимися в базовых опорных точках, и антенной АДС.

Согласно данным [14], в гидроакустическом канале связи вертикальной ориентации, лучи распространяющиеся в пределах телесного угла 80 градусов от вертикали, распространяются прямолинейно; то есть приведенные выше соображения по определению координат АДС справедливы в пределах телесного угла 80 градусов от вертикали. При дальнейших расчетах будем ориентироваться на антенны ИПГВ-30, у которых ширина диаграммы направленности равна 120 градусов [15].

С учетом принятых допущений оценим необходимое количество базовых опорных точек, из которых должно определяться местоположение 220 автономных донных станций.

Определение минимального количества базовых опорных точек, из которых определяется местоположение АДС будем проводить в предположении, что лед, с поверхности которого опускаются гидроакустические антенны аппаратуры ГАКС в базовых опорных точках неподвижен относительно дна.

Оценим количество донных станций, попадающих в диаграмму направленности антенны полукомплекта аппаратуры ГАКС, установленного в базовой опорной точке в зависимости от сдвига опорной точки от линии, вдоль которой расположены донные станции. Расчет ведем в предположении, что все станции расположены вдоль исследуемого профиля на одной прямой (см. рисунок 2.3).

Из рисунка 2.3 видно, что количество донных станций, попадающих в диаграмму направленности антенны полукомплекта ГАКС, пропорционально, длине хорды, которая «отсекается» кругом диаграммы направленности антенны.

Тогда, в качестве оценки количества донных станций, донных станций , попадающих в диаграмму направленности антенны, находящейся в базовой опорной точке, от ее смещения относительно профиля постановки АДС можно принять величину: , (2.3) где - смещение опорных базовых точек от линии профиля;

- длина хорды, вдоль которой стоят автономные донные станции от смещения опорных базовых точек антенн, относительно профиля, постановки АДС.

- расстояние между донными станциями, принимаем равным 50 м (как предполагает технология «Тотальной донной сейсморазведки»).

Рисунок 2.3. - Пояснение к расчету количества станций, попадающих в диаграмму направленности антенны, находящейся в базовой опорной точке

Чем дальше, смещается антенна погружного модуля ГАКС от линии расположения станций, тем меньше донных станций попадает в ее диаграмму направленности.

Количество донных станций, «освещаемых» антенной из одной базовой опорной точки, зависит от глубины постановки АДС и может быть определено по формуле: , (2.4) где - радиус круга, «освещаемого» одним базовым элементом антенны на дне от глубины моря в месте проведения исследований, которое рассчитывается следующим образом (см. рисунок 2.4);

- обозначение функции взятия целой части числа x.

, (2.5) где - глубина моря в месте проведения испытаний;

- угол диаграммы направленности гидроакустических антенн, градусов.

Наибольшая глубина Северного Ледовитого океана составляет 5527 метров (Гренландское море), а средняя глубина океана равняется 1225 метрам [16].

Оценим количество станций, попадающих в диаграмму направленности антенны, находящейся в одной базовой точке для различных глубин от смещения базовой опорной точи , в которой располагается антенна, от предполагаемой линии профиля , вдоль которой расположены АДС. Результаты оценки представляем в виде графика (Рисунок 2.4).

Из данного рисунка видно, что чем дальше смещена базовая опорная точка от линии профиля, тем меньше донных станций попадает в диаграмму направленности антенны, опорного базового элемента. С увеличением глубины количество АДС «освещаемых» из базовой опорной точки увеличивается.

Оценим математическое ожидание количества донных станций, попадающее в диаграмму направленности антенны базовых элементов при случайном изменении смещения базовой опорной точки от профиля.

Предположим, что количество донных станций попадающих в зону действия антенны является случайной величиной равномерно распределенной на интервале от 0 до . Тогда математическое ожидание количества донных станций, попадающих в зону действия антенн базовых элементов, с приемлемой для инженерных расчетов точностью можно считать равным: , (2.5) где: - количество донных станций, попадающих в зону действия антенны базового элемента, при удалении его на расстояние от линии, вдоль которой расположены донные станции;

- радиус круга, «освещаемого» одним базовым элементом антенны на дне в зависимости от глубины моря в месте проведения исследований.

- обозначение функции взятия целой части числа x.

Оценим математическое ожидание количества донных станций, попадающих в зону действия базового элемента антенны, при различных глубинах моря в месте проведения испытаний. Результаты оценки представим в виде таблицы . (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1. - Оценка математического ожидания количества донных станций, «освещаемых» из одной базовой опорной точки, Глубина моря , м20050010005000

Математическое ожидание количества «освещаемых» из одной базовой опорной точки, 102766272

На рисунке 2.5 представлен график зависимости математического ожидания числа станций, попадающих в диаграмму направленности базового элемента антенны , от глубины моря в месте проведения испытаний .

Из рисунка 2.5 видно, что при глубине моря в месте проведения исследований 4 км, определение местоположения всех автономных донных станций на профиле может осуществляться из трех базовых опорных точек.

При уменьшении глубины, количество АДС, попадающих в освещаемую зону уменьшается; соответственно должно увеличиваться количество поверхностных базовых опорных точек, из которых должно осуществляться определение местоположения АДС.

Оценим необходимое количество антенн базовых опорных точек, которое необходимо для определения местоположения АДС на профиле.

Будем считать, что глубина и примерное расположение профиля известны. Так же нам известен порядок расположения донных станций на профиле (предполагается, что при постановке станции были рассортированы по возрастанию порядковых номеров: ; и расставлены в установленном порядке).

Возникает вопрос, каким образом на поверхности, на льду следует располагать опорные базовые точки для размещения антенн полукомплектов ГАКС, чтобы определить местоположение всех АДС, и чтобы требуемое количество базовых опорных точек оказалось минимальным. Если во льду есть полыньи, то можно устанавливать антенны базовых элементов в них, если не хватает полыньей, то необходимо бурить лунки.

Расположим первую базовую опорную точку в месте, предполагаемого начала профиля (рисунок 2.6, точка 1), поместим в нее антенну и попытаемся организовать связь с АДС, попадающими в диаграмму направленности антенны, поочередно передавая им запросы, и принимая ответы. Приняв ответы от всех станций, попадающих в диаграмму направленности антенны, расположенной в данной базовой опорной точке, посчитаем количество АДС, которые попадает в диаграмму направленности антенны, расположенной в базовой опорной точке. Зная глубину моря, и воспользовавшись рисунком 2.4, определим величину смещения базовой опорной точки относительно линии профиля.

Как видно из рисунка 2.4, зная величину смещения базовой опорной точки от профиля, мы не можем точно сказать, в какую сторону от профиля смещена данная базовая опорная точка, поэтому для снятия данной неопределенности сместим данную точку в направлении перпендикулярном профилю (см. рисунок 2.6 точка ), на расстояние которое было определено по рисунку 2.4.

Для того чтобы определить направление профиля, пробурим еще одну лунку, и повторим процедуру определения количества станций, попадающих в диаграмму направленности.

Рассмотрим две ситуации. Первая - если станций стало меньше, то антенна удалилась от предполагаемой линии профиля. Вторая - Если станций стало больше, то антенна приблизилась к предполагаемой линии профиля.

Третью опорную точку расположим над ожидаемой линией профиля, при этом антенна, помещенная в нее накрывала в 2 раза больше станций, чем антенны, помещенные в опорные точки 1 и 2.

Следующие базовые опорные точки будут располагаться по аналогичному принципу, до тех пор, пока не «накроется» весь профиль.

Пусть антенна, размещенная в базовой опорной точке c номером 1 будет «накрывать» станций. Исходя из того, что вторая базовая опорная точка будет располагаться «зеркально» первой, то антенна помещенная в нее будет тоже накрывать станций. Антенна, находящаяся в базовой опорной точке с номером 3 будет «накрывать» станций.

Будем называть точки, из которых «накрываются» станций, парными; а точки из которых «накрывается» станций одинарными.

Расстояния между парными точками, находящимися по одну сторону от профиля составляют метров (поскольку станции расставляются через 50 метров). Предполагаемая длина профиля составляет . Исходя из этого можно рассчитать количество парных точек: (2.6).

Расстояние между одинарными точками будет составлять . Количество одинарных точек будет находиться следующим образом: (2.7).

Таким образом, общее количество точек, необходимое для проведения исследований находится следующим образом:

Теперь, для выбора количества базовых опорных точек , построим примерный график зависимости количества базовых опорных точек от математического ожидания количества донных станций, «накрываемых» из одной базовой опорной точки (см. рисунок 2.7).

Рисунок 2. 7 - Зависимость ожидаемого количества базовых опорных точек от количества донных станций, «накрываемых» из одной базовой опорной точки

Представленная на рисунке 2.7 зависимость соответствует интуитивным представлениям о связи количества АДС, накрываемых из одной базовой опорной точки и количеством базовых опорных точек, необходимых для определения местоположения всех АДС, устанавливаемых на профиле.

Полученная зависимость совместно с зависимостью количества донных станций, накрываемых из одной базовой опорной точки, может быть использована для предварительной оценки затрат при проведении операции определения местоположения АДС при работе подо льдом.

2.3 Организация передачи сигналов управления на АДС подо льдом

Дистанционное управление (телеуправление) работой АДС и их подсистем позволяет увеличить эффективность применения донных станций в автономном режиме осуществляется после определения местоположения станций.

В существующей системе, предназначенной для работы на открытой воде, управление донными станциями осуществляется с помощью аппаратуры гидроакустической связи, управления и навигации «Марина 2», разработанной в СИБГУТИ, посредством передачи станциям с обслуживающего судна команд управления, в ответ на которые станции посылают в обратном направлении квитанции, свидетельствующие об исполнении (неисполнении) команды или пакеты слова состояния, несущие в себе информацию о состоянии подсистем АДС [4].

В качестве сигналов команд управления в аппаратуре гидроакустической связи управления и навигации «Марина 2» используется семикратное повторение (без перерыва) кодовой комбинации команды, каждая из которых представляет собой структуру, состоящую из синхронизирующей М-последовательности, длиной 31 бит и кодовой комбинации кода Боуза-Чоудхури-Хоквингейма (БЧХ).

Для циклического кода наиболее опасны циклические сдвиги комбинации (что приводит к переходу одной разрешенной комбинации в другую); применение синхронизирующей M-последовательности позволяет избежать данной проблемы. Она обладает хорошими корреляционными свойствами: значение автокорреляционной функции M-последовательности резко уменьшается при сдвиге последовательности хотя бы на один символ [17], поэтому на приемной стороне такая последовательность не будет воспринята входным дешифратором M-последовательности и сразу вся комбинация будет отброшена.

Структура квитанции аналогична структуре команды, только в качестве кодовой комбинации квитанции используется проинвертированная кодовая комбинация команды.

Информационные символы кодовой комбинации циклического кода, в свою очередь разделены на четыре поля: A, K, P, E (Рисунок 2.8). Поле A (10 бит) - адрес донной станции назначения, соответствует порядковому номеру ДС; поле K (4 бита) - номер команды управления, определяет действие, которое необходимо выполнить АДС при получении данной команды; поле P (3 бита) - определяет номер кодовой комбинации в составе сигнала управления; поле E - служебный бит, свидетельствующий об исполнении (не исполнении), команды - при передаче команды данный бит устанавливается в 0. В составе квитанции бит E устанавливается в единицу, если по истечении определенного интервала времени после приема команда не будет исполнена.

Команда (квитанция) считается принятой, если хотя бы в одной из семи принимаемых кодовых комбинаций не обнаружено ошибок.

Проверка состояния донной станции осуществляется в два этапа. Сначала центр управления посылает на АДС команду на подготовку слова состояния. По принятии данной команды на АДС включается специальное устройство STATEUNIT [4], которое собирает информацию о состоянии подсистем АДС, записывая ее во внутренний буфер. По окончании сбора информации устройство STATEUNIT отключается, а АДС посылает в центр управления квитанцию об исполнении команды. Получив квитанцию, центр управления посылает следующую команду - запрос слова состояния. Получив данную команду АДС, начинает передавать слово состояния.

Для передачи слова состояния по каналу связи формируется специальный информационный пакет (рисунок 2.9).

Сначала передается заголовок, представляющий собой ответную квитанцию на команду запроса слова состояния. Вслед за заголовком три раза подряд передается слово состояния, закодированное для проверки на наличие ошибок кодом Боуза-Чоудхури-Хоквингейма (2048, 2024).

Хотя для передачи слова состояния достаточно 152 бит, 2024 информационных символа кодовой комбинации предусмотрены для возможности добавления к АДС новых подсистем и передачи в слове состояния информации о них.

Троекратное повторение кодовой комбинации слова состояния применяется для исправления ошибок в кодовой комбинации с помощью алгоритма мажоритарного декодирования [4].

Полученная после мажоритарного декодирования кодовая комбинация проверяется на наличие ошибок (предварительно информационные символы дополняются нулями до 2024) при помощи стандартного алгоритма декодирования циклических кодов.

При обнаружении ошибки, информационный пакет стирается, и центр управления посылает повторный запрос той донной станции, от которой получено слово состояния с ошибкой.

Само слово состояния состоит из семи блоков данных: Блок 1 - время в формате time_t;

Блок 2 - переменная величина, несущая информацию о количестве записанных на карту памяти АДС секторов;

Блок 3 и Блок 4 - результаты измерения величины напряжений питания двух подсистем АДС: сейсмической станции и гидроакустического канала связи соответственно;

Блок 5, Блок 6, Блок 7 - данные от 3-х компонентного угломера Н3300.

В качестве наиболее перспективных способов, для реализации телеуправления работой донных станций, находящихся подо льдом, можно предложить 3 варианта: первый - передача сигналов телеуправления по цепочке от станции к станции (рисунок 2.10); второй - передача сигналов телеуправления через систему дополнительных ретрансляторов, устанавливаемых вдоль профиля, над донными станциями (рисунок 2.11); третий - осуществление телеуправления работой АДС с помощью автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), (рисунок 2.12).

Метод передачи сигналов управления по цепочке станций

Метод передачи сигналов управления с помощью системы дополнительных ретрансляторов

Метод управления донными станциями с помощью АНПА

В качестве критериев оценки выбора метода телеуправления будем использовать следующие характеристики: 1. Вероятность прохождения сигнала управления по кольцу управления [2.3.4], то есть вероятность того, что команда будет безошибочно доставлена до станции назначения, исполнена, в ответ из АДС передана квитанция на нее, которая будет принята центром управления без ошибок.

2. Время управления [18] - время, за которое команда управления безошибочно доставляется из центра управления до станции назначения, выполняется, и центром управления от данной станции получается квитанция (или запрашиваемый информационный пакет), свидетельствующая об исполнении команды. Поскольку, время управления будет для каждой станции различным, поэтому для корректного сравнения методов будем сравнивать времена опроса всех станций.

Оценка средней вероятности прохождения управляющего сигнала по кольцу управления. Считается, что управляющий сигнал прошел по кольцу управления, если донной станцией назначения была принята команда, и центром управления была принята квитанция на нее. Таким образом, вероятность случайного события - прохождения команды по кольцу управления можно оценить, как вероятность совместного появления двух событий: вероятности приема команды донной станцией назначения (событие A) и вероятности приема соответствующей квитанции и центром управления (событие B).

Иными словами вероятность прохождения сигнала управления по кольцу управления можно оценить как вероятность приема квитанции центром управления, при условии, что донная станция назначения приняла соответствующую команду: , (2.9) где - номер АДС, которой адресована команда управления.

На рисунках (2.13 - 2.15) показано пояснение к методологии расчета вероятности прохождения команды по кольцу управления для каждого из предложенных методов. Стрелкой показан путь прохождения управляющего сигнала, адресованного станции с номером , по кольцу управления.

Применяя формулу (2.9) к каждому из предложенных методов, получим формулы для расчета вероятности прохождения сигнала управления по кольцу управления.

Для метода последовательной передачи команд по цепочке: , (2.10) где - номер АДС, которой адресована команда управления.

Для метода передачи команд и квитанций через систему дополнительных ретрансляторов, команда передается ретрансляторору с номеро

В ходе выполнения данной работы была показана возможность реализации технологии «Тотальной донной сейсморазведки», применяемой для поиска углеводородного сырья на шельфе, на открытой воде, так же и на акваториях находящихся подо льдом. Основу данной технологии составляют малогабаритные автономные донные сейсмогидроакустические станции (АДС), массово выпускаемые в стране.

Было показано, что решение задачи определения местоположения АДС на дне и задачи телеуправления работой донных станций может быть осуществлено с применением штатной аппаратуры гидроакустической связи, управления и навигации «Марина 2», разработанной в НТЦ СИС, СИБГУТИ. Задача съема накопленной в АДС за время проведения испытаний геофизической информации решается только с применением оборудования оптического канала связи. Была доказана необходимость введения в состав подобной сети автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), с помощью которого целесообразно осуществлять по гидроакустическому каналу связи телеуправление работой АДС, устанавливаемых на профиле, а съем необходимой сейсмической информации следует осуществлять по оптическому каналу связи информации, хранящейся в АДС.

Рассмотрен вопрос комплектования АНПА комплексом гидроакустической аппаратуры, совместимой с аппаратурой «Марина 2», обеспечивающей приведение аппарата к АДС и стыковку с ней.

Показано, что определение местоположения АДС может осуществляться с поверхности путем спуска под лед приемопередающих антенн модулей аппаратуры гидроакустической связи, управления и навигации «Марина 2».

В ходе выполнения работы были получены пригодные для практического применения правила и соотношения: - по выбору места для установки на льду базовых опорных точек, из которых может осуществляться определение местоположения АДС на дне;

- для определения выражения, позволяющего оценить количество АДС, «накрываемых» диаграммой направленности приемопередающей антенны аппаратуры гидроакустической связи, управления и навигации «Марина 2», размещенной на льду в базовой опорной точке;

- для определения выражения, позволяющего определить математическое ожидание количества АДС, «накрываемых» диаграммой направленности антенны аппаратуры гидроакустической связи, из базовой опорной точки при ее случайном расположении вблизи исследуемого профиля;

- для определения выражения, позволяющего оценить необходимое количества базовых опорных точек на поверхности льда, из которых должно определяться местоположение всех АДС на дне;

- для оценки затрат времени на телеуправление работой АДС с применением автономного необитаемого подводного аппарата и затрат времени на считывание сейсмической информации с АДС.

Было показано, что единственным, пригодным способом доставки информации сейсмической информации, хранящейся в АДС, на поверхность, является способ, приведения и стыковки АНПА с донной станцией, считывание из ее памяти информации по оптическому каналу связи в память АНПА, и последующую механическую доставку накопителя с переписанной информацией аппаратом на поверхность.

Были сформулированы требования к оборудованию автономного необитаемого подводного аппарата, используемого при реализации технологии «Тотальной донной сейсморазведки» подо льдом.

По результатам диссертации была опубликована статья в сборнике докладов конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», г. Владивосток [Приложение A [1]].

1. http://www.rg.ru/2008/10/10/arktika.html «Российская газета» Федеральный выпуск №4770.

2. Создание Научно-Технической и образовательной базы разработок систем мобильной робототехники для проектов освоения континентального шельфа Российской Федерации. Арсентьев В.Г., Бурдун И.Е., Криволапов Г.И., Ростопчин В.В. Всероссийская научно-техническая конференция. Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана. СИБГУТИ, Новосибирск 2010. 3. www.seismoshelf.com Сейсмо-Шельф, тотальная донная сейсморазведка, морская сейсморазведка, мониторинг морских месторождений, Технология тотальной донной сейсморазведки. 18.03.2011.

4. Технические характеристики аппаратуры гидроакустического канала связи «Марина 2».

5. http://eage.ru/ru/archive/sub_detail.php? id=20&id2=112 Материалы с 71-ой конференции EAGE в Амстердаме.

6. http://www.bellona.ru/articles_ru/articles_2009/1250769491.72

Некоммерческая общественная организация Беллона 02. 04. 2012

7. http://www.seismoshelf.com/ice-conditions.html, тотальная донная сейсморазведка, работы в ледовых условиях 26.03.2011.

8. http://istoki-tehniki.ru/burenie/130 Установка бурового оборудования на льду 19.04.2012

9. http://www.tgeo.ru/index-2_1_3.html Самоходная Буровая установка ТСБУ-200М «Березовец»

10. http://www.imtp.febras.ru/ - ИПМТ ДВО РАН

11. http://kreakratia.ru/1144/ Жизнь в океане, Скорость движения льдов 26.03.2012.

12. Создание Научно-Технической и образовательной базы разработок систем мобильной робототехники для проектов освоения континентального шельфа Российской Федерации. Арсентьев В.Г., Бурдун И.Е., Криволапов Г.И., Ростопчин В.В. Всероссийская научно-техническая конференция. Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана. СИБГУТИ, Новосибирск 2010.

13. http://www.navy.su/navysub1917/krab/index.htm Военно-Морской Флот России. Подводный минный заградитель Краб. 18.03.2012

14. В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк. Дальность действия гидроакустических средств Л. Судостроение, 1981.

15. Гидроакустические волноводные антенны для подводных систем связи и управления. Мальцев Ю.В., Прокопчик С.Е. Всероссийская научно-техническая конференция. Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана. СИБГУТИ, Новосибирск 2010.

16. http://www.vokrugsveta.ru/ Северный Ледовитый океан

17. Варакин Л.Е., Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с., ил.

18. http://www.febras.ru/~imtp/anpa/anpa.html Автономные необитаемые подводные аппараты, ИПМТ ДВО РАН 21.04.2012

19. А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Корепин и др. Справочник по гидроакустике. Л: Судостроение.

20. Всесоюзный Научно-Технический информационный центр. Копия отчета о НИР. Москва, 1983 г.

21. И.И. Резван. Конспект лекций по курсу «Теория электрической связи», СИБГУТИ, Новосибирск, 2008 г.

22. http://www.optica.ru/ Wireless Optic Оптические Телесистемы

23. Экспериментальные исследования по организации оптической связи под водой. Берестяк А.С., Грачев А.Е., Рыжов В.А., Всероссийская научно-техническая конференция. Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана. СИБГУТИ, Новосибирск 2010

24. Г.И. Криволапов, Г.А. Чернецкий о повышении достоверности передачи информации в цифровых гидроакустических каналах связи низкого качества. Материалы межд. научно-техн. Конф. «Технические проблемы освоения Мирового океана» 14-17 сентября 2005 г., Владивосток, ИПМТ ДВО РАН. - С. 229-232.

25. http://www.nix.ru/price/price_list.html? section=hdd_all Интернет магазин жестких дисков.

26. http://www.imtp.febras.ru/ - институт проблем морских технологий ДВО РАН.

Размещено на .ru