Dr inż

PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO
AKADEMII MORSKIEJ W GDYNII
nr 17
2005
GRZEGORZ RUTKOWSKI
Katedra Nawigacji
SYSTEMY
POZYCJONOWANIA
I
NAWIGACJI
PODWODNEJ
Człowiek już od zarania dziejów prowadził i nadal prowadzi szczegółowe
badania i obserwacje różnych zjawisk, znaków i sygnałów docierających z
głębi Ziemi, wody, powietrza i kosmosu, aby wykorzystując zdobytą w ten
sposób wiedzę i doświadczenie, stworzyć nową technologię, a w szczególności
technologię wspomagającą proces pozycjonowania oraz prowadzenia nawigacji
pod wodą.
Pod pojęciem pozycjonowania rozumiemy proces określania pozycji
obiektu przeprowadzony w celu ogólnego zorientowania się, gdzie znajduje się
interesujący nas obiekt. W szerszym znaczeniu proces pozycjonowania
obejmuje działania prowadzone w celu utrzymania obiektu na wyznaczonej
pozycji, kursie lub wewnątrz ustalonej wcześniej przestrzeni (obszaru). W
takim znaczeniu pojęcie to funkcjonuje w opisie znanych nam systemów
dynamicznego pozycjonowania statków DP (Dynamic Positioning System), w
których komputerowe systemy pozycyjne poprzez aktywne działanie na napęd
oraz stery strumieniowe obiektu utrzymują go na wyznaczonej pozycji, kursie
lub wewnątrz ustalonej wcześniej przestrzeni (obszaru). Tak zdefiniowaną
przestrzeń (obszar) określa się często mianem domeny obiektu lub strefą jego
bezpiecznego działania.
Przez nawigację rozumiemy natomiast proces kierowania ruchem obiektu
z punktu wyjścia do punktu przeznaczenia. Nawigacja odpowiada nam zatem
na pytania, nie tylko gdzie znajduje się interesujący nas obiekt, ale również
dokąd obiekt ten zmierza oraz jak obiektem tym pokierować, aby w efekcie
przeprowadzić go od ustalonego punktu wyjścia do założonego celu (punktu
przeznaczenia).
Jeżeli działania wynikające z procesu nawigacji przebiegają na lądzie, to
wówczas określane są często mianem nawigacji lądowej. Jeżeli działania takie
przebiegają na morzu, to wówczas mówimy o nawigacji morskiej, jeżeli w
powietrzu to o lotniczej, jeżeli zaś pod wodą jest to nawigacja podwodna.
Inne opisy nawigacji dotyczą sposobu określania pozycji obiektu oraz
szacowania parametrów jego ruchu. Jeżeli zatem pozycję obiektu uzyskuje się z
121
obserwacji gwiazd lub planet, to wówczas mówimy o tzw. astronawigacji. Gdy
pozycję obiektu określa się z pomiaru kąta lub odległości do innych obiektów
nawigacyjnych (punktów odniesienia), to wówczas mamy do czynienia z
nawigacją terestryczną. Jeżeli natomiast do określania pozycji wykorzystuje się
radar, naziemne systemy nawigacyjne typu LORAN C, ARTEMIS lub systemy
satelitarne typu GPS (Global Positioning System) lub GLONASS (Global
Navigation Satellite System) – mówimy o tzw. radionawigacji (electronic
navigtion), bądź nawigacji satelitarnej lub ogólnie nawigacji opartej na
elektronicznych systemach nawigacyjnych. W każdym z wyżej wymienionych
wypadków dana pozycja obiektu jest pozycją bieżącą, wyrażoną z pewnym
błędem pomiaru, wynikającym z przyjętej metody. Pozycje tego typu, ze
względu na sposób ich uzyskiwania, nazywane są często pozycjami
obserwowanymi (fix position), a sam proces nawigacji określany jest wówczas
mianem nawigacji rzeczywistej (true navigation). Zaletą tej metody jest
znajomość bieżącej pozycji obiektu uwzględniającej działanie wszelkich
zakłóceń zewnętrznych, a w szczególności działanie wiatru, prądu i falowania.
Jeżeli nawigator nie jest w stanie określić bieżącej pozycji obserwowanego
obiektu, to wówczas zaczyna on prowadzić tzw. nawigację zliczeniową (dead
reckoning). Nawigacja zliczeniowa polega tu głównie na zliczaniu drogi oraz
kierunku przemieszczania się obiektu w przestrzeni dzięki aktualnie
zmierzonym lub wcześniej ustalonym parametrom wektora jego ruchu.
Uzyskiwana w ten sposób pozycja obiektu jest pozycją orientacyjną, a
ponieważ obarczona jest błędami zarówno pomiaru ostatniej pozycji
obserwowanej obiektu, jak i błędami zliczania czasu, prędkości, kierunku i
drogi, określa się ją często mianem pozycji zliczonej lub pozycji kalkulowanej.
Pozycja zliczona obiektu w porównaniu z pozycją obserwowaną jest zatem
mniej dokładna, a przez to i mniej wiarygodna. Nawigacja zliczeniowa nie
uwzględnia przy tym zmiany wektora ruchu obiektu wywołanej zmianą
parametrów oddziałujących na obiekt zakłóceń.
W przypadku nawigacji podwodnej mamy do czynienia z brakiem
szczegółowych map nawigacyjnych z naniesionymi podwodnymi punktami
odniesienia. Pod wodą występują również ekstremalne warunki dla ludzi, a w
szczególności ograniczona widoczność do całkowitych ciemności włącznie,
duże ciśnienie, duże wahania temperatury wody, jej zasolenia, zamulenia oraz
gęstości w zależności od rejonu pływania (nurkowania) oraz głębokości
akwenu. Pod wodą można również napotkać wpływ silnych prądów wodnych,
wirów, falowania, zlodzeń oraz innych zakłóceń zewnętrznych. Wszystko to
sprawia, że przyjęte i powszechnie stosowane na lądzie, w powietrzu i na
morzu współczesne techniki nawigacyjne z systemem GPS włącznie pod wodą
stają się nieprzydatne. Stąd główny filar nawigacji podwodnej w nurkowaniu
swobodnym opiera się głównie o tradycyjne metody zliczania czasu, drogi i
kierunku przemieszczania się obiektu pod wodą (rys. 1).
122
a)
b)
c)
d)
Rys.1. Akcesoria nurkowe do nawigacji zliczeniowej pod wodą: a) – chronometr nurkowy, b) – busola
magnetyczna, c) – głębokościomierz, d) – konsola nurkowa TAC Diver Navigation Board wyposażona
w a, b i c (Źródło: RJE International, Inc.)
Na potrzeby nurków zawodowych opracowano natomiast cały szereg
innych systemów i urządzeń technicznych działających pod wodą, opartych na
bazie systemów akustycznych i sonarowych. Urządzenia te ze względu jednak
na duży koszt ich instalacji i użytkowania stosowane są obecnie tylko przez
wybrane jednostki badawcze wyspecjalizowane w pracach podwodnych, firmy
nurkowe oraz specjalne jednostki wojska, policji i straży pożarnej.
Dział nawigacji podwodnej i pozycjonowania w zależności od obranego
celu oraz stosowanych technik pomiaru można podzielić na sześć głównych
kategorii:
związana z tworzeniem map podwodnych danego akwenu (area
surveys), a w szczególności map dennych, map sejsmicznych,
map gęstości wody, jej zasolenia i temperatury, map
występującego w toni wodnej zoo- i fitoplanktonu, map
zarybienia wód, map występujących tam surowców i złóż
mineralnych;
Kategoria II związana z tworzeniem map podwodnych, w tym głównie map
batymetrycznych, na potrzeby eksploatacji szlaków żeglownych
(route surveys) i akwenów portowych;
Kategoria III związana z przeprowadzaniem inspekcji podwodnych
(underwater surveys & inspections) obiektów pływających,
zatopionych lub osadzonych na dnie, np. serwis wież
wiertniczych, nabrzeży portowych, zatopionych kabli i
rurociągów;
Kategoria IV związana z lokalizacją zatopionych obiektów (target location),
np. lokalizacja wraków, min, zatopionych kabli i rurociągów;
Kategoria V związana z pozycjonowaniem (positioning), np. obsługa wież
wiertniczych z wykorzystaniem pojazdów podwodnych typu
ROV (Remotely Operated Vehicle), UUV (Unmanned
Underwater Vehicle) i AUV (Automated Underwater Vehicle);
Kategoria I
123
Kategoria VI związana z pomiarami statycznymi (static measurements) oraz
inną działalnością człowieka pod wodą.
Dla nurków zawodowych i firm specjalizujących się w pracach
podwodnych szczególne znaczenie odgrywają sektory działalności ludzkiej pod
wodą związane z serwisem i inspekcją wież wiertniczych, nabrzeży portowych,
zatopionych kabli i rurociągów, serwisem szlaków żeglownych i akwenów
portowych, lokalizacją zatopionych
obiektów,
obsługą
systemów
dynamicznego pozycjonowania oraz
asekuracją
różnych
jednostek
badawczych,
w
tym
jednostek
sejsmicznych i geologicznych.
Podobnie jak system GPS na
powierzchni, tak systemy oparte na
akustyce i sonarach stanowią dziś
Rys.2. Akustyczny system nadawczo-odbiorczy główny filar zawodowej nawigacji
do nawigacji podwodnej
podwodnej i pozycjonowania.
(Źródło: RJE International, Inc.)
Systemy sonarowe (rys. 2, 3 i 4)
wysyłają w środowisku wodnym fale
dźwiękowe wysokiej częstotliwości i rejestrują drgania fali odbitej od obiektu.
Sonary przestrzenne umożliwiają określenie pozycji nurka (obiektu) w toni
wodnej oraz zorientowanie go względem określonych wcześniej punktów
referencyjnych (reference points for navigation) lub linii bazowej (baseline
station). Linia bazowa może być umieszczona na wodzie (np. na pływającej
boi), osadzona na dnie, przymocowana do pontonu, łodzi, pojazdu podwodnego
ROV lub nurka.
Rys.3. Przenośny wodoszczelny sonar DSL (Diver Locator Sonar) przeznaczony dla nurków do
lokalizacji zatopionych obiektów oraz określania pozycji nurka poprzez pomiar kąta
i odległości od źródła fal akustycznych.(Źródło: RJE International, Inc.)
System długiej linii bazowej (LBL – Long Baseline) składa się z trzech lub
więcej przekaźnikowych stacji liniowych umieszczonych na zewnętrznych
granicach obszaru działania nurka lub pojazdu ROV pod wodą. Stacjami
przekaźnikowymi są tu zazwyczaj cylindryczne boje z układem nadawczoodbiorczym zakotwiczone na dnie akwenu lub umieszczone na powierzchni
124
wody. Pozycja śledzonego obiektu podawana jest wówczas zawsze względem
stacji przekaźnikowych.
Rys.4. Transponder akustyczny TLT-1 oraz transponder akustyczny z dołączonym zewnętrznym
przekaźnikiem sygnału TLT-2(Źródło: RJE International, Inc.)
W systemach krótkiej linii bazowej (SBL – Short Base Line) punktami
odniesienia są anteny sonarowe umieszczone na jednostce pływającej. W tym
wypadku pozycja nurka lub ROV pod wodą określana jest względem jednostki
pływającej na podstawie pomiaru odległości do poszczególnych stacji
przekaźnikowych. Systemy SBL są obecnie najbardziej rozpowszechnionymi
systemami służącymi do nawigacji podwodnej i pilotowania pojazdów ROV.
Rys. 5. Autonomiczny sytem nawigacyjno-rozpoznawczy Cobra-Tac™ korporacji RD Instruments
działający niezależnie od instalacji akustycznych boi przekaźnikowych lub transponderów
(Źródło: RJE International, Inc.)
W systemach ultrakrótkiej linii bazowej (USBL – Ultra Short Base Line)
stacją przekaźnikową jest zanurzony przy burcie statku metalowy pręt z
wmontowanym układem nadawczo-odbiorczym. Pozycja nurka (obiektu) pod
wodą określana jest wówczas również względem jednostki pływającej, lecz na
postawie pomiaru kąta i odległości do pojedynczej stacji przekaźnikowej. W
systemach USBL wykorzystuje się pojedyncze impulsy akustyczne
ukierunkowane na jedną stację referencyjną. Dokładność systemu USBL w
porównaniu z systemami SBL i LBL jest jednak nieco gorsza.
125
Rys. 6. PCM-100 Diver Tracking System zaprojektowany przez korporację Desert Star Systems.
System umożliwia śledzenie, kontrolę ruchu oraz monitoring do siedmiu nurków w wodzie
(Źródło: RJE International, Inc).
Firma Desert Star Systems z USA oferuje podwodny system nawigacyjny
AquaMap z cyfrowym modułem zapisu danych (mierzonych i
obserwowanych), w którym wykorzystując technologię sonarową,
wyeliminowano potrzebę pomiaru linii bazowej oraz zredukowano wpływ
zakłóceń dennych (bottom time), uzyskując w efekcie dokładność pomiaru
rzędu kilku decymetrów (P = 95 %) nawet przy wzburzonym morzu i
ograniczonej widoczności pod wodą. Komputerowy system zapisu informacji
w AquaMap umożliwia użytkownikom bezpośredni przekaz danych do modułu
odpowiedzialnego za tworzenie cyfrowych map dennych akwenu 3-D oraz
systemowych baz danych zapewniających szybką obróbkę informacji oraz
odpowiednią ich analizę dostosowaną do potrzeb nurka. System AquaMap
pozwala na pomiar akwenu o wymiarach 500 m na 500 m w stosunkowo
krótkim czasie i jednocześnie zapewnia niezależny przekaz informacji
bezpośrednio do komputera.
Dla porównania tradycyjne metody mierzenia, przeszukiwania,
sondowania oraz tworzenia map podwodnych akwenu polegały jak dotąd
głównie na systematycznym sprawdzaniu dna akwenu przez grupę nurków
płynących tuż nad jego powierzchnią wzdłuż określonej linii bazowej (metoda
tras równoległych) lub wokół ustalonego wcześniej punktu odniesienia (metoda
powiększającego się okręgu) – rys. 7. Linię bazy wyznaczano przez rozłożenie
na dnie akwenu liny pomiarowej, punkt odniesienia zaś określano od zatopionej
na dnie kotwicy lub oznaczonej boi. Metoda tradycyjna była więc
czasochłonna, mało dokładna, uciążliwa, a wyniki pomiarów mierzone i
przekazywane pod wodą uzależnione od aktualnej głębokości nurkowania,
rodzaju dna, przejrzystości wody, wprawy i doświadczenia nurków oraz ich
aktualnej kondycji psychicznej i fizycznej.
W systemie AquaMap nurek posiada przenośne urządzenie z czarnobiałym wyświetlaczem nawigacyjnym LCD sterowanym przez przyciski
funkcyjne modułu nadawczo-odbiorczego danych nawigacyjnych, mierzonych i
obserwowanych. Stacja nurkowa kontroluje nurka pod wodą, znając jego
126
aktualną pozycję, głębokość nurkowania oraz zapas jego powietrza w butli.
System wykorzystując główny wyświetlacz nawigacyjny (general navigation
screen) informuje nurka gdzie i w jakim kierunku dalej ma zmierzać,
precyzyjny wyświetlacz nawigacyjny (precision navigation screen) informuje
go o jego aktualnej pozycji pod wodą, wyświetlacz funkcyjny modułu
zapamiętywania danych (observation recording screen) służy zaś do
zapisywania w pamięci komputera aktualnie mierzonych parametrów
nawigacyjnych. Informacje wprowadzane są automatycznie i obejmują między
innymi lokalizację nurka pod wodą na mapie batymetrycznej akwenu,
temperaturę wody, datę, czas, głębokość nurkowania, gęstość wody (lub jej
zasolenie), a dodatkowo odległość i kierunek do każdego punktu bazowego.
Dodatkową zaletą urządzenia jest możliwość przesyłania informacji
elektronicznych drogą e-mail oraz bezpośrednio do nurka pracującego pod
wodą (diver’s hand-held station).
Oznaczona boja
Kierunek
przeszukiwania
Lina
kotwiczna
Stała lina
denna
Lina
ruchoma
Kotwica boi
a)
b)
Lina
ruchoma
c)
Rys.7. Tradycyjne metody przeszukiwania dna akwenu: a) metoda powiększających się okręgów;
b) i c) – metoda tras równoległych.
Mniej precyzyjne urządzenia firmy Desert Star System znane pod nazwą
Dive Tracker Spor,t umożliwiają nurkom indywidualnym, za stosunkowo niską
cenę (około 500 USD), uzyskiwać aktualną informację o kierunku i odległości
pod wodą do dowolnego oznaczonego wcześniej miejsca, boi lub punktu
bazowego. Urządzenie składa się z dwóch części: modułu nadawczego,
zwanego transmiterem lub transponderem (pinger transmitter) nadającego
sygnały akustyczne lub impulsy sonarowe we wszystkich kierunkach pod
wodą, oraz modułu odbiorczego (receiver) odbierającego te sygnały. Moduł
nadawczy montuje się na boi przekaźnikowej, jednostce pływającej lub
umieszcza w określonym wcześniej punkcie bazowym. Nurek wyposażony w
moduł odbiorczy urządzenia obraca nim we wszystkich kierunkach pod wodą,
szukając punktu, z którego odbierany sygnał będzie najsilniejszy. Wyznaczony
w ten sposób punkt w przestrzeni określa nam kierunek do punktu bazowego, a
moc odebranego sygnału definiuje zmierzoną do niego odległość.
127
Podobne systemy oparte na bazie tanich wodoszczelnych mikrofonów
ukierunkowanych (directional hydrophone) używane są powszechnie do
poszukiwania i lokalizacji zatopionych obiektów, w tym również „czarnych
skrzynek” z wraków samolotów.
Innym typem urządzeń akustycznych służących do nawigacji podwodnej i
pozycjonowania są urządzenia korporacji Houston-based Nautronix. Systemy
akustyczne USBL, SBL oraz LBL firmy
Nautronix mają wbudowane cyfrowe
procesory
DSP
(Digital
Signal
Processors),
które
pozwalają
wyeliminować konieczność dostrajania
urządzeń
do
częstotliwości
fal
odbiorczych,
co
zwiększa
ich
niezawodność oraz podnosi dokładność
pomiarów. Systemy Nautronix USBL i
SBL umożliwiają pomiar odległości do
przekaźnikowych stacji referencyjnych z
błędem określonym na poziomie ufności
P = 95% od 0,001 do 0,005 wartości
Rys.8. Zintegrowany system do nawigacji
podwodnej AUNS-605 (Advanced Underwater mierzonej odległości.
Navigation System) firmy Oceana’s
Akustyczny system pozycyjny
Nautronix’s
RS5D
SBL
zlicza
przestrzenną pozycję transpondera (radiopławy – subsea beacon) przez
systematyczny pomiar odległości do kilku czujników akustycznych, tzw.
hydrofonów (hydrophones). Czujniki te, rozlokowane na jednostce pływającej
w pewnych odległościach, tworzą tam konfigurację systemu SBL. Transponder
umieszczony na ROV lub utrzymany przez nurka pod wodą wysyła impulsy
akustyczne. Impulsy te po dotarciu do hydrofonów przetworzone ponownie
powracają do transpondera. Dokładny pomiar czasów, w których sygnały te
powróciły z poszczególnych punktów bazowych (hydrofonów), umożliwia
precyzyjne określenie przestrzennej pozycji obiektu. Pozycja określana jest
zawsze względem jednostki pływającej.
Kolejny produkt firmy Nautronix, oparty na bazie systemów akustycznych
to urządzenie śledzące ATS II (Acustic Trackin System). Przyrząd ten
wykorzystując technologię cykania (ćwierkania – chirp signaling) jako formę
jednego z najbardziej efektywnych sposobów przesyłania sygnałów
akustycznych pod wodą, umożliwia znaczny wzrost zasięgu pracy urządzenia
przy zachowaniu dużej dokładności systemu nie przekraczającej 1 m.
Technologia cykania eliminuje bowiem dość znacznie zakłócenia sygnału od
fal bocznych (multi-pathing effect), fal odbitych (reflection) oraz refrakcji
(refraction).
Firma Benthos z Massachusetts (USA) proponuje natomiast aktywne
urządzenia akustyczne do nawigacji podwodnej, zliczające bieżącą odległość
128
do punktu bazowego o znanej (ustalonej wcześniej) lokalizacji. Głównym
produktem firmy Benthos są transpondery akustyczne (rys. 4), służące do
lokalizacji nurka lub pojazdu ROV pod wodą. Nurek (ROV) wyposażony w
transponder akustyczny informuje stację nurkową (bazę) o swojej aktualnej
pozycji pod wodą. W razie zagrożenia z bazy nurkowej można go szybko
zlokalizować i podjąć odpowiednią akcję ratowniczą. Transponder akustyczny
zamontowany na bazie nurkowej umożliwia natomiast powrót nurka lub ROV
do punktu bazowego, zapewniając mu dokładność pozycjonowania w granicach
1 m.
Specyficzny produkt firmy Benthos obejmuje modularny system DS-7000
Acoustic Deck Set, który może być używany zarówno do prostych funkcji
sterowania, jak i skomplikowanych operacji nawigacyjnych. Transpondery serii
6000 przeznaczone są do nawigacji podwodnej oraz oznakowywania i
lokalizacji obiektów hydrotechnicznych. Transponder MF-6000, pracujący w
paśmie pośrednich częstotliwości, zaprojektowano w celu nawigacyjnego
zabezpieczenia pojazdów ROV.
Korporacja RJE International z Kalifornii (USA) specjalizuje się natomiast
w dostarczaniu produktów przeznaczonych do kontroli oraz monitoringu
głębinowego. Urządzenie Sub-Monitor, wyprodukowane przez Desert Star
Systems i rozprowadzane wyłącznie przez RJE International, zapewnia
operatorom ROV oraz osobom nadzorującym nurkowania głębokowodne
możliwość ciągłej kontroli odległości, głębokości oraz namiaru na pojazd ROV
lub nurka pracującego pod wodą. Obsługa techniczna urządzenia jest przy tym
bardzo prosta i nie wymaga specjalistycznych kwalifikacji. Kolorowy
wyświetlacz urządzenia przedstawia obszar działania do 10 pojazdów ROV
i/lub nurków pod wodą z zaznaczeniem ich aktualnych pozycji odniesienia
określonych względem punktów bazowych systemu SBL. System umożliwia
również zapis w pamięci komputera całej trasy przejścia nurka lub ROV pod
wodą w celu późniejszej jej analizy. Urządzenie zapewnia dokładność pomiaru
odległości na poziomie 0,001 zakresu jego pracy przy maksymalnym zasięgu
systemu dochodzącym do 1200 m (0,001·1200 m = 1,2 m).
RJE International jest również wyłącznym dystrybutorem dla Datasonic’s
serii akustycznych systemów nawigacyjnych, takich jak Dive-Track i MarkTrak Personal Diver Navigation Systems. Oba systemy są łatwe w obsłudze i
pozwalają nurkom na szybkie znalezienie drogi powrotnej do bazy, łodzi lub
innego miejsca oznaczonego transponderem. Podczas gdy Dive-Trak jest
modelem standardowym, przeznaczonym dla osób zajmujących się sportowo
lub rekreacyjnie nawigacją podwodną (amatorzy), to system Mark-Trak w
wersji profesjonalnej przeznaczony jest dla wojska, jednostek SAR oraz
specjalistycznych firm nurkowych. W urządzeniach tych, w celu zwiększenia
dokładności pomiarów nawigacyjnych, RJE dołącza transpondery nurkowe
Datasonics DRI-267 (Diver Operated Transponder Interrogator) przekazujące
nurkom informacje o odległości i namiarze na każdy z siedmiu punktów
129
bazowych oznaczonych przez akustyczne transpondery UAT-376 (acoustic
transponders).
Korporacja ORE International specjalizuje się w akustycznych systemach
śledzących
USBL dla wszystkich użytkowników. Trackpoint II jest
urządzeniem przenośnym, zapewniającym dobrą dokładność pomiaru,
informacje o pozycji względnej obiektu (określonej względem przyjętych
punktów bazowych) oraz rzeczywistej (określonej np. z systemu GPS w
przyjętym światowym geodezyjnym układzie odniesienia WGS84) i
jednocześnie umożliwiającym śledzenie do sześciu obiektów pod wodą, z
których każdy może stanowić oddzielne źródło danych telemetrycznych.
Trackpoint II dostępny jest na rynku od wielu lat i zyskał już renomę
profesjonalnego urządzenia do nawigacji podwodnej i pozycjonowania.
Powszechnie wykorzystywany jest też w wojsku oraz firmach nurkowych
specjalizujących się
w pracach głębokowodnych, inspekcjach kabli,
rurociągów, wież wiertniczych, platform. Stosowany jest również przy
nawigacji podwodnej i pozycjonowaniu pojazdów ROV, łodzi podwodnych,
nurków klasycznych i płetwonurków. W skład systemu Trackpoint II wchodzi
powierzchniowy komputerowy system kontrolny, pojedynczy hydrofon, który
musi być zamocowany poniżej poziomu łodzi, wodoszczelny kabel łączący
poszczególne elementy oraz akustyczne transpondery śledzące (acoustic
tracking beacons). Operator na powierzchni łodzi śledzi na kolorowym
wyświetlaczu LCD cały akwen objęty kontrolą systemu. Lokalizacja nurków
oraz innych obiektów pod wodą zobrazowana jest w postaci jasnych
graficznych symboli. Operator na bieżąco może więc odczytywać odległość i
namiar z punktu bazowego (łodzi nurkowej) do każdego nurka i/lub obiektu
pod wodą oraz bieżący namiar i odległość pomiędzy każdym z nurków i/lub
dowolnym obiektem pod wodą. Trackpoint II zapewnia dokładność pomiaru
odległości na poziomie 0,5% mierzonej wartości, przy czym dokładność ta
uzależniona jest od przyjętej w odbiorniku wartości prędkości rozchodzenia się
dźwięku w wodzie oraz wprowadzonej do odbiornika wartości określającej jej
aktualne zasolenie.
Inną korporacją specjalizującą się w sprzedaży urządzeń do nawigacji
podwodnej i pozycjonowania jest Rentec International. Firmowe produkty tej
korporacji to między innymi Trimble Navigation, Schonstedt Instrument
Company, Omnistar DGPS System i inne.
Trimble Navigation oferuje nawigacyjne systemy pozycyjne o zasięgu
globalnym, w których wykorzystano technologię DGPS (Differential Global
Positioning System) wzbogaconą o moduł nadawczo-odbiorczy akustycznych
podwodnych systemów nawigacyjnych. Urządzenia Trimble Navigation
zapewniają dokładność pozycji obiektu na poziomie 1 m (P = 95%). Omnistar
gwarantuje im przekaz poprawek różnicowych do GPS na terytorium USA oraz
w obrębie ich wód przybrzeżnych. Schonstedt Instrument Company,
reprezentowana przez Rentec, oferuje natomiast urządzenie Gau-20 do
130
lokalizacji osadzonych w dnie, zapiaszczonych lub zamulonych obiektów
metalowych, takich jak kotwice, łańcuchy, rury i kable.
Produkty nawigacyjne i pozycyjne firmy DigiCOURSE, należącej do
Laitram Corporation zawierają systemy i transpondery akustyczne DigiPOINT
wraz z oprogramowaniem DigiFIX. System wspomaga lokalizację sprzętu
podwodnego oraz zabezpiecza nawigację nurków i ROV pod wodą względem
przyjętych punktów odniesienia. System przedstawia plan rozmieszczenia
urządzeń i obiektów hydrotechnicznych na mapie podwodnej akwenu z
wyszczególnieniem bieżących wartości mierzonego kąta (namiaru) i odległości
do poszczególnych elementów tej infrastruktury.
System SNAP (Sonic Navigation and Positioning System) z firmy Imetrix
jest precyzyjnym, przesyłowym systemem nawigacyjnym krótkiego zasięgu,
który może być używany do nawigacji i śledzenia obiektów podwodnych,
takich jak ROV lub nurek. SNAP może być używany w nieprzyjaznych
warunkach środowiskowych i otoczeniu, np. w zatopionych jaskiniach,
metalowych zbiornikach itp., zapewniając przy tym użytkownikom ciągłą
pozycję obserwowaną (uaktualnianą 10 razy na sekundę) uzyskiwaną z
dokładnością pomiaru do ± 2 cm, przy maksymalnym zakresie pracy
urządzenia do 100 m. Systemy SNAP wykorzystywane są głównie przy
przeprowadzaniu prac podwodnych, pomiarów, inspekcji kadłubów statków,
zapór, platform, wież wiertniczych, kabli i rurociągów, wspomagają sterowanie
pojazdami ROV, umożliwiają rejestracje danych oraz lokalizację sprzętu
podwodnego.
Firma brytyjska Applied Acoustic Engineering na potrzeby nawigacji
podwodnej oferuje różnorodne radiopławy i boje akustyczne, współdziałające z
większością systemów USBL, włączając produkty firmy ORE i Simrad.
Ponieważ wiele statków posiada już na swoim wyposażeniu systemy USBL,
producent wytwarza transpondery kompatybilne z innymi systemami.
Podwodne sonarowe radiopławy tej firmy mogą być umieszczane zarówno na
obiektach stałych, jak i poruszających się.
Akustyczne transpondery podwodne są również specjalnością firmy ITC
(International Transducer Corporation) z USA. Zabezpieczenie nawigacyjne
nurków oraz pojazdów ROV pod wodą oparto głównie o system sonarów
bocznych (side-scan sonar) oraz sonarowe systemy przeszukiwania czołowego
(forward looking sonar) zapewniające użytkownikom bardzo dużą dokładność
pomiarów.
Inny system nawigacyjny dla nurków to produkt firmy Edge Tech PS8000
oparty o technologię systemów długiej linii bazowej (LBL). PS8000 jest
wielokanałowym
akustycznym
urządzeniem
nadawczo-odbiorczym
przeznaczonym do precyzyjnego pozycjonowania na dużych głębokościach.
PS8000 może pracować jako stacja główna (master), pomocnicza (slave) lub w
trybie pasywnym (passive modes). System w normalnej wersji oferowany jest
do pracy na głębokościach w przedziale od 2000 do 6000 m. Zakres jego pracy
131
można jednak zmienić według potrzeb użytkownika. Urządzenie to stosowane
jest w akcjach poszukiwawczo – ratowniczych, w nawigacji podwodnej i
pozycjonowaniu. Wykorzystywane jest przez nurków, pojazdy ROV, UUV
(Unmanned Underwater Vehicle), AUV (Automated Underwater Vehicle),
łodzie podwodne oraz jednostki nawodne DP. System zapewnia dokładność
określonej pozycji obiektu w toni wodnej na poziomie 1 m (P = 95%). W
produkcji nawigacyjnych sonarów bocznych specjalizuje się również firma
EG&G Marine Instruments z korporacji Edge Tech.
Przekaźniki radiowe oraz boje przekaźnikowe firmy Pacific Crest
Corporation wspierają przewodowe systemy GPS pod wodą. Urządzenie
zapewnia szybką transmisję danych pozycyjnych (do 9600 baud) na 16
oddzielnych kanałach radiowych (ustawianych przez użytkownika). Urządzenia
te wykorzystywane są powszechnie do przesyłania poprawek różnicowych
GPS.
Firma Racal Survey na potrzeby nawigacji podwodnej i pozycjonowania
wykorzystała systemy akustyczne oraz technologię systemów nawigacyjnych
DGPS, StarFIX, DeltaFix LR (Long Range) oraz Delta Fix SR (Short Range).
Do operacji podwodnych firma Racal przystosowała akustyczne systemy
pozycyjne Sonardyne LBL Compatt, Sonardyne USBL oraz Simrad HPR
USBL, zapewniające dokładność pomiarów rzędu kilku decymetrów.
Firma Ashtech proponuje nawigacyjny odbiornik GG24 współdziałający z
amerykańskim systemem satelitarnym GPS oraz rosyjskim system satelitarnym
GLONASS. GG24 zapewnia dokładność określonej pozycji obiektu w toni
wodnej na poziomie 3 m (P = 95%).
Kolejna firma Chance z grupy kapitałowej Fugro proponuje całą gamę
urządzeń technicznych do prowadzenia nawigacji podwodnej i
pozycjonowania. Systemy USBL firmy Chance zapewniają dokładność
pomiaru na poziomie 1 % mierzonej odległości pod wodą. Dokładność
systemów LBL działających w oparciu o system dennych lub nawodnych
transponderów akustycznych uzależniona jest od konfiguracji systemu oraz
przyjętej w odbiornikach częstotliwości fali nośnej sygnału. Urządzenia
akustyczne Accufix Loran-C, wsparte technologią systemu nawigacyjnego
Loran-C, przy pozytywnej geometrii systemu mogą zapewnić dokładność
pozycji obiektu w toni wodnej na poziomie 10 m (P = 95%). Inne urządzenia
tej firmy, wykorzystując system nawigacyjny Loran-C do odbioru poprawek
różnicowych DGPS, mogą zapewnić dokładność pozycji obiektu w toni wodnej
na poziomie 1 m (P = 95%).
Inną grupę stanowią systemy i urządzenia do nawigacji podwodnej oparte
na technologii Dopplera. W urządzeniach tych mierzona jest zmiana
częstotliwości fali nośnej wysyłanego i odbieranego sygnału akustycznego
(tzw. efekt Dopplera). Zintegrowane urządzenia nawigacyjne Workhorse
Navigator firmy RD Instruments mierzą aktualny kierunek ruchu obiektu,
głębokość nurkowania oraz przechył boczny i wzdłużny urządzenia z
132
dokładnością do 0,2% wartości mierzonego parametru. Urządzenie to jest
idealne dla użytkowników, którzy nie mogą wykorzystywać technologii DGPS
(ograniczony dostęp do poprawek lub brak przetworników akustycznych),
USBL (urządzenia są dość głośne) i LBL (ustawienie systemu jest dość
czasochłonne).
Firma Oceanscan dzierżawiąca firmę Simrad i Sonardyne, producentów
akustycznych systemów pozycyjnych dużej dokładności, oferuje systemy
hydroakustyczne Simrad HPR, systemy dynamicznego pozycjonowania DP,
Trimble GPS, Starlink DGPS oraz oprogramowanie (OceanLink GPS vehicle
tracking software).
Firma Western Marine Electronics (Wesmar) specjalizuje się w sprzedaży
nawigacyjnych urządzeń sonarowych, np. sonar nawigacyjny ROV600, sonar
pomocniczy HD600 E-6 (sub-navigation) oraz sonar śledzący HD600 E-6
ROV. Sonary serii HD umożliwiają prowadzenie nawigacji podwodnej do
głębokości 800 m.
Inny flagowy produkt tej firmy to zintegrowany komputerowy system
nawigacyjny Melian II (Search, Survey and Recovery computer integrated
navigation system). Milian II zawiera profesjonalne sonarowe systemy
nawigacyjne SUN (Sonar Underwater Navigation), w tym sonary boczne i
czołowe, odbiornik i przekaźnik akustyczny systemu DGPS lub innego systemu
nawigacyjnego
dużej
dokładności,
czujnik
pola
magnetycznego
(magnetometer), wykrywacz metalu (metal detector), log dopplerowski itp.
Urządzenie Milian II wykorzystywane jest przez marynarkę wojenną USA
(U.S. Navy Mobile Underwater Debris Survey System – MUDSS) między
innymi do penetracji zatopionych i zamulonych obiektów oraz rozpoznawania
pól minowych przeciwnika.
Innym zintegrowanym systemem nawigacyjnym opartym o technologię
DGPS oraz technologię systemów akustycznych jest WinFrog firmy Pelagos.
Kolejny zintegrowany komputerowy system nawigacyjny bazujący na
Windows to QINSy firmy Quality Positioning Services. Na mapach
elektronicznych można umieścić planowaną trasę przejścia nurka albo ROV
pod wodą. Oprogramowanie nawigacyjne umożliwia orientację nurka lub ROV
pod wodą względem jednostki macierzystej oraz innych punktów odniesienia
(maksymalnie do 998 obiektów). QINSy współpracuje z większością
odbiorników GPS oraz większością akustycznych systemów referencyjnych
USBL, SBL i LBL.
Amerykańska firma InterOcean Systems oferuje systemy do nawigacji
podwodnej i pozycjonowania oraz zestawy sensorów, współdziałających z
systemami telemetrycznymi, kablowymi, światłowodowymi, akustycznymi,
radiowymi i komórkowymi do pomiaru prędkości i kierunku prądu,
parametrów pływu i falowania oraz charakterystyki wody (pomiar jej gęstości,
temperatury i zasolenia).
133
Inną znaną firmą rozprowadzającą urządzenia do nawigacji podwodnej i
pozycjonowania jest Coastal Oceanographics. Jej flagowy produkt to
zintegrowany system nawigacyjny Hypack. Komputerowy system Hypack,
oparty na systemie Windows, umożliwia jednoczesną analizę danych
pozycyjnych uzyskanych z dziewięciu różnych źródeł, w tym między innymi z
echosondy, logu, sonaru, boi przekaźnikowych DGPS, kinematycznych
systemów nawigacyjnych (OTF), nawigacyjnych systemów stadiometrycznych
i hiperbolicznych oraz kompasów magnetycznych i żyrokompasów.
PODSUMOWANIE
W wyniku przeprowadzonej analizy dostępnych na rynku systemów oraz
urządzeń do prowadzenia nawigacji podwodnej oraz pozycjonowania można
dojść do następujących wniosków:
1. Obecnie obserwuje się znaczny wzrost technologii komputerowej, co
sprzyja
rozwojowi
zintegrowanych
systemów
nawigacyjnych
dostosowanych do działalności ludzkiej pod wodą.
2. Przyszłościowymi systemami do nawigacji podwodnej i pozycjonowania
będą zintegrowane systemy nawigacyjne przedstawiające dane GIS oraz
informacje nawigacyjno-pozycyjne na kolorowym wyświetlaczu LCD w
formacie trójwymiarowym 3-D.
3. Podwodne systemy nawigacyjne oparte będą o sieć globalnych systemów
nawigacji satelitarnej GPS, GLONASS, naziemnych systemów
nawigacyjnych dużej dokładności oraz sieć nawodnych i podwodnych
systemów akustycznych.
4. Liczba dostępnych na rynku urządzeń będzie malała, a ich jakość i
niezawodność rosła.
5. Dokładność określanej pozycji obiektu (nurka, pojazdu ROV) w toni wodnej
będzie wzrastała i osiągnie wartość rzędu paru centymetrów.
6. Cena urządzeń spadnie.
7. Urządzenia staną się powszechne i przyczynią się do wzrostu
bezpieczeństwa życia ludzkiego pod wodą.
LITERATURA:
1. Subsea Newsletter, Kongsberg Maritime, No 1, March 2004.
2. Foldery reklamowe firmy Simrad Kongsberg (Leading provider of marine and offshore
technology, HPR, HIPAP), 2004.
134
3. Materiały reklamowe korporacji: RJE International, Laitram Corporation, ORE International,
Rentec International, ITC (International Transducer Corporation) oraz InterOcean Systems
International, 2003.
4. Materiały reklamowe firm: Oceana’s (USA), Benthos (USA), Imetrix (USA), Simrad (Norwegia),
Applied Acoustic Engineering (Wielka Brytania), Wesmar (USA), 2003.
135