В статье приведено описание гидроакустической станции экомониторинга параметров воды с акустической связью.
Ключевые слова: автономная станция, гидроакустическая связь, гидроакустический модем, передача данных.
Для изучения водной среды используются разные средства. Одно из них — автономные подводные станции.
Рис. 1. Автономный подводный комплекс (Морская тень) АО «НПП ПТ «Океанос»
Они используются для различных задач: обнаружение методом звуковой локации объектов большого диапазона размеров, подводная акустическая связь, акустические, сейсмические и биологические исследования, требующие постановку измерительных станций на определенное время. Эти задачи можно решать и с помощью оборудования на судах, но автономные станции имеют ряд преимуществ [1].
Во-первых, они не требуют постоянного присутствия плавсредства и могут долгое время находиться в море без смены экипажа, это экономит большое количество средств. Во-вторых, автономные станции можно использовать для проведения научных исследований в тех местах, где суда работать не могут.
К недостаткам автономных станций можно отнести то, что если станция не оборудована системой позиционирования, она может быть безвозвратно утеряна в водоеме. Также у автономных станций довольно трудно производить диагностику оборудования станции.
Перед нами была поставлена задача измерения параметров воды (температура, жесткость, содержание кислорода) с целью экомониторинга у дна водоема, на значительном удалении от берега, с периодическим получением измерительной информации. Особенности проекта требуют невысокую стоимость оборудования. Для этого может быть рационально применение автономной станции и береговой станции с питанием от сети.
В нашем случае подводную часть невозможно оснастить радиобуем и обеспечить питание от солнечных панелей, поэтому для этой задачи были установлены критерии в виде малого энергопотребления автономной подводной части. В таком случае, чтобы получить данные с подводной части автономной станции, ее необходимо достать из воды на поверхность. Это является проблемой по многим причинам. Во-первых, это ресурсоемко, т. к. наша станция довольно габаритная, соответственно для того, чтобы ее достать, необходима команда из нескольких человек, плавсредство и хорошая погода. Во-вторых, т. к. нет обратной связи, непонятно в каком состоянии находится станция, ведь оборудование на ней должно выполнять определенные задачи и если что-то вдруг выйдет из строя, то мы об этом узнаем только после подъема станции, возможно, через недели экспедиционного времени. В-третьих, удаленное управление подводной частью повышает гибкость использования оборудования и открывает новые возможности управления, которые сложно было бы спрогнозировать при программировании станции. Один из примеров, касающихся подводных станций это работа размыкателя балластного груза для всплытия автономной станции. Без автоматического управления осуществить эту задачу практически невозможно.
Решением этой проблемы может стать применение гидроакустического модема, устройства, при помощи которого цифровые данные передаются посредством акустических волн. Использование гидроакустической связи обосновано тем, что из всех известных видов излучения звук распространяется в воде с наименьшими затуханием. Это позволяет использовать данный вид связи на больших расстояниях и в любых водоемах (морях, океанах, реках) [2].
На сегодняшний день существует довольно много различных гидроакустических модемов под разные цели и задачи. Проведем краткий анализ существующих решений.
Таблица 1
Характеристики гидроакустических модемов
|
Название (Производитель) |
Полоса, кГц |
Потребляемая мощность (передача), Вт |
Потребляемая мощность (прием), Вт |
Дальность действия, м |
Скорость передачи информации, бит/с |
Цена, $ |
|
AQUAModem (Aquatec) |
8–16 |
20 |
0,6 |
10000 |
2000 |
7600 |
|
S2CM48/78 (EvoLogics) |
48–78 |
2.5–80 |
0,5 |
1000 |
15000 |
12500 |
|
ATM885(Benthos) |
16–21 |
28–84 |
0,7 |
6000 |
15360 |
11000 |
|
MicronModem(TriTech) |
20–24 |
7,92 |
0,72 |
500 |
40 |
3500 |
|
UCSDModem (UCSD) |
40 |
1,3–7,0 |
0,42 |
400 |
200 |
350 |
|
RedLine(UC&NL) |
5–15 |
10 |
0,33 |
8000 |
80 |
400 |
Исходя из потребляемой мощности при приеме и передаче, а также дальности действия и цены был выбран модем RedLine от производителя UC&NL.
Рис. 2. Гидроакустический модем RedLINE
Для решения поставленной задачи необходим следующий режим работы станции: частота опроса датчиков — раз в 5 минут, периодичность передачи данных — раз в час, периодичность приёма данных — раз в 30 минут, время работы подводной станции не менее 60 суток.
Рассчитаем на сколько дней работы хватит аккумулятора емкостью 7 А*час при 12 В:
Таблица 2
Энергопотребление компонентов
|
Компонент |
Мощность, Вт |
Длительность включения, с |
Частота включения, 1/ч |
Энергия, которая тратится за час, Дж |
|
Модем (на прием) |
0,33 |
5 |
2 |
3,3 |
|
Модем (на передачу) |
10 |
10 |
1 |
100 |
|
Датчики |
0,8 |
2 |
12 |
19,2 |
|
Микропроцессор (при опросе датчиков) |
0,4 |
2 |
12 |
9,6 |
|
Микропроцессор (дежурный режим) |
0,01 |
1 |
3588 |
35,58 |
Также для единоразового срабатывания размыкателя требуется 1,5 с при этом необходимая мощность 120 Вт. Соответственно аккумулятора с заданными параметрами хватит на 75 дней. В случае необходимости продления времени работы, можно увеличить ёмкость аккумулятора без затрат средств на доработку остальной части электроники.
Применение модема позволило создать автономное, управляемое устройство мониторинга состояния воды с обратной связью и дистанционной передачей данных. Данное решение позволяет значительно экономить средства, затрачиваемые на проведение исследований, а также существенно повысить возможности для дистанционного управления, что является довольно перспективно для дальнейшего применения.
Литература:
- Роберт, Д. У. Основы гидроакустики / Д. У. Роберт. — Ленинград: Судостроение, 1978. — 448 c.
- Евтюхов, А. П. Справочник по гидроакустике / А. П. Евтюхов, А. Е. Колесников. — Ленинград: Судостроение, 1982. — 339 c.
