Введение к работе
Развитие и совершенствование морских сейсмических и геофизических исследований в последнюю четверть века связано с созданием информационно-исследовательских комплексов на основе автономных донных станций.
Автономные донные станции (АДС) предназначены для проведения морских геофизических исследований и представляют собой необитаемые объекты, содержащие в герметичном контейнере измерительные датчики, средства обработки и хранения информации, устройство управления, средства связи, автономный источник питания. АДС удерживаются на дне и в толще воды с помощью якоря-балласта. По окончании измерений по сигналу от встроенного таймера или по приему на АДС специального сигнала происходит отделение якоря-балласта, донная станция всплывает на поверхность.
Станции размещаются на дне или в толще воды, как правило на глубинах до 6000 метров, в общем случае произвольным образом на некотором расстоянии друг от друга, составляя измерительную сеть. Измерительная сеть обслуживается надводным судном, с которого осуществляется постановка и подъем донных станций, дистанционное управление их работой, считывание данных измерений. Обмен информацией между судном и АДС осуществляется с помощью гидроакустических сигналов.
Первые упоминания о применении гидроакустических средств связи и управления для обеспечения работы донных станций относятся к середине 60-х годов. В 1965 г. в рамках проекта "Вела-Юниформ" (США) была изготовлена донная станция, оборудованная гидроакустическим передатчиком (несущая 10,5 кГц) с частотной модуляцией, который использовался для передачи цифровых данных от сейсмодатчиков. Кроме того донная станция была оборудована обратным каналом для передачи 13 команд управления с судна на частоте 14 кГц простым время-импульсным кодом.
С развитием эффективных средств записи и хранения данных в контейнере донных станций гидроакустическая аппаратура, устанавливаемая на АДС, использовалась, в основном, в качестве гидроакустического маяка и для дистанционного отделения якоря-балласта. Часто в качестве команды используется тональный сигнал.
Увеличение количества разработок аппаратуры гидроакустической связи и управления приходится на начало 80-х годов и связано с появлением цифровых автономных донных станций. В цифровых АДС данные измерений представля-
ются в цифровой форме, как правило, осуществляется их предварительная обработка встроенной микро-ЭВМ, для хранения информации используются твердотельные накопители. Цифровые АДС отличает повышенный срок автономной подводной работы. Поэтому возникает задача дистанционной проверки работоспособности донных станций, управления их работой, считывания данных измерения без подъема АДС на поверхность. Был выполнен ряд соответствующих разработок аппаратуры гидроакустической связи и управления, среди которых наибольшую известность получили работы Балакина Р.А., Сувилова Э.В., Шехва-това Б.В., Морозова А.К., Gonzales F., Milburn К.
Традиционно при построении аппаратуры применяются, как правило, асинхронные методы передачи, основанные на использовании амплитудной, ко-дово-импульсной и частотной модуляции. Для уверенного прохождения сигналов часто мощность передачи выбирается из условий обеспечения на входе приемника отношения сигнал/шум не менее 30 дБ.
Настоящая работа посвящена разработке и исследованию аппаратуры гидроакустической связи и управления для работы обслуживающего судна сети автономных донных станций, предназначенных для проведения геофизических исследований в Океане. В ней представлены результаты, полученные автором в процессе разработки аппаратуры гидроакустической связи и управления для автономных донных станций в период с 1980 по 1995 г.г.
Актуальность выполненных исследований обусловлена потребностью в развитии средств изучения и освоения Мирового океана с помощью необитаемых автономных донных станций в соответствии с программой "Общегосударственная комплексная программа исследований Мирового океана в интересах науки и народного хозяйства на 1986 -1990 гг. и на перспективу до 2000 года", принятая Постановлением ГКНТ и ГОСПЛАНа СССР от 14.08.86 г. N 378, Постановлением Совета Министров (Правительства) Российской Федерации от 21.12.93 г. N 31468.
Цель работы - исследование характеристик гидроакустических каналов связи вертикальной ориентации; разработка аппаратуры гидроакустической связи и управления, обеспечивающей работу обслуживающего судна в сети автономных донных станций.
Научная и практическая значимость работы заключается в получении новой информации о статистических характеристиках гидроакустических каналов связи вертикальной ориентации; в разработке алгоритма передачи на АДС команд управления и квитанций, в выборе ансамбля сигналов, обеспечивающих
надежное управление подводными объектами с одновременным определением расстояния, ориентированных на применение современной цифровой элементной базы, в создании ряда образцов аппаратуры гидроакустической связи и управления для работы обслуживающего судна в сети автономных донных станций.
Результаты работы могут быть использованы при создании новых более эффективных средств гидроакустической связи, управления и навигации.
Методы исследования. При получении теоретических результатов в работе использовались методы статистической радиотехники, теории вероятностей, математической статистики. При получении экспериментальных результатов осуществлялось макетирование аппаратуры, проведение ее натурных испытаний с использованием методов математической статистики при планировании и проведении эксперимента.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1). Получены экспериментальные оценки статистических характеристик гидроакустических каналов связи вертикальной ориентации;
2). Показано, что применение в гидроакустическом канале связи вертикальной ориентации для реализации аппаратуры направленных гидроакустических антенн с экранировкой тыльного направления позволяет значительно ослабить влияние на прием сигналов многолучевости, вызванной отражением акустического сигнала от границ "вода-воздух", "вода-дно";
3). Предложено для описания гидроакустического канала связи вертикальной ориентации использовать модель канала с медленно меняющимися параметрами;
4). Предложен алгоритм передачи команд управления и квитанций;
5). Сформулированы критерии выбора сигналов для аппаратуры гидроакустической связи и управления;
6). Разработан эффективный способ определения времени распространения акустического сигнала между объектами, разделенными водной средой (определение расстояния между ними).
Реализация результатов работы:
1). Разработан комплекс для исследования статистических характеристик каналов связи;
2). Разработаны б образцов аппаратуры гидроакустической связи и управления для автономных донных станций различного назначения;
3). Проведены натурные испытания разработанных образцов аппаратуры; получены экспериментальные оценки качества передачи сигналов по гидро-
акустическим каналам связи вертикальной ориентации в диапазоне скоростей от 50 до 1600 бит/с.
На защиту выносятся:
1). Результаты экспериментальных исследований статистических характеристик гидроакустических каналов связи вертикальной ориентации;
2). Модель канала гидроакустического канала связи вертикальной ориентации;
3). Алгоритм обмена сигналами управления и квитанций между судном и автономными донными станциями, объединенными в сеть;
4). Критерии выбора сигналов для аппаратуры гидроакустической связи и управления, обеспечивающей работу судна в сети автономных донных станций;
5). Алгоритм определения времени распространения акустического сигнала (наклонной дальности) между судном и донной станцией, совмещенный с передачей команд управления.
Основные результаты работы представлены в 20 публикациях, защищены 2 авторскими свидетельствами и 1 патентом.
Личный вклад. Автор в качестве ответственного исполнителя осуществлял разработку комплекса для исследования статистических характеристик гидроакустических каналов связи, формулировал требования по выбору сигналов и разрабатывал алгоритм передачи команд управления, предложил алгоритм определения времени распространения акустического сигнала между судном и донной станцией, совмещенный с передачей команд управления, осуществлял исследования гидроакустического канала связи и натурные испытания разработанных образцов аппаратуры. Постановка задачи, получение результатов, формулировка выводов в совместных опубликованных работах выполнялась на равных правах с другими соавторами.
Представление результатов научной общественности: результаты выполненной работы представлялись на заседаниях Межведомственной комиссии по сейсмостойкому строительству и цунами при Президиуме Академии наук СССР (Москва, 1982 г., 1988 г. Ленинакан, 1987 г.), на международных конференциях (Новосибирск, 1989 г., 1995 г.), на Всесоюзных конференциях (Москва, 1983 г., 1985г., 1989 г., 1990 г., 1991 г., Рязань, 1985 г., Новосибирск, 1984 г., 1985 г., 1987 г.), на конференциях СНГ (Москва 1993 г.), на республиканских конференциях (Киев, 1983 г., 1986 г.), на Дальневосточной акустической конференции (Владивосток 1982 г., 1986 г.), на конференциях областного отделения НТОРЭС им. А.С. Попова (Новосибирск 1982 г.,1983 г., 1984 г., 1986 г., 1988 г., 1989 г.).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемой литературы.
