СПОСОБ СЪЕМКИ РЕЛЬЕФА ДНА АКВАТОРИИ И ЭХОЛОТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области гидрографии, в частности к способу и устройству съемки рельефа дна акватории, и может быть использовано для изучения поля рельефа дна в Мировом океане в целях навигационно-гидрографического обеспечения флота и народного хозяйства.

Известен способ съемки рельефа дна акватории (Баландин Л.А. и др. Средства и методы топографической съемки шельфа. М.: Недра. - с. 92.97 [1]), включающий вождение съемочного судна, на котором установлен эхолот, по запланированным галсам, излучение гидроакустических сигналов в сторону дна, прием отраженных от дна этих сигналов, измерение расстояний гидроакустическим путем от приемоизлучающей антенны эхолота до мест отражений этих сигналов эхолотом, определение координат приемоизлучающей антенны эхолота, измерение параметров бортовой и вертикальной качек, истинного курса, скорости судна, определение по полученным данным истинных значений глубин и их геодезических координат с последующей их регистрацией.

Известен [1] также эхолот для осуществления данного способа, содержащий приемоизлучающую антенну, расположенную на заданном горизонте в днище судна, передающий и приемоизмерительный блоки, блок управления, блок определения искомых значений глубин акватории и их геодезических координат и регистратор, при этом выход передающего и вход приемоизмерительного блоков соединены через блок управления с входами приемоизлучающей антенны, а также выходы приемоизмерительного блока навигационного комплекса судна через блок управления подключены к входу блока определения искомых глубин акватории и их геодезических координат, выход, которого соединен с входом регистратора.

Недостатки известного способа съемки рельефа дна акватории и эхолота для его осуществления ([1]) заключаются в сложности осуществления способа и низкой точности эхолота при использовании их в условиях бортовой и вертикальной качки судна, проседанием судна на мелководье, а также колебанием уровня на акватории, обусловленным приливоотливными явлениями и за счет пространственной и временной изменчивости скорости и временной изменчивости скорости распространения звука в воде на акватории (Коломийчук Н.Д. Гидрография. ГУНиО МО. 1988. - с. 257 [2]).

Кроме того, сложность использования известного способа и эхолота обусловлена необходимостью выполнения измерений и вычислений, связанных с определением поправок за отклонение действительной средней скорости звука в воде от используемой в вычислениях расчетных значений средней скорости звука в воде для акустического канала эхолота.

Действительную скорость звука в воде определяют на акватории косвенным путем по измеренным значениям температуры, солености и плотности морской воды на принятых в практике стандартных горизонтах по глубине или путем непосредственного измерения скорости звука в равномерно распределенных местах по всей площади акватории.

Ввиду того что требуемая достоверность определения средней скорости звука в воде расчетным путем достигается только в локальной пространственной области, в которой измеряется температура, соленость и плотность морской воды, то точность съемки рельефа дна акватории в конечном итоге отягощается систематической погрешностью, обусловленной влиянием мелкомасштабной и крупномасштабной изменчивости во время ветрового перемещения и турбулентности, внутренних волн, подводных течений.

Эта погрешность может достигать 3% от измеряемой глубины [2].

При использовании известного способа и эхолота имеют место систематические погрешности, вызванные изменением осадки судна за расход воды и топлива и за проседание судна на мелководье на акватории, которая может достигать 0,29 м [2].

Допустимая погрешность определения глубин до 10 м определяется величиной 0,1 м [2].

При использовании данных способа и эхолота для исключения случайных погрешностей определения глубины, обусловленной бортовой качкой, используют гировертикаль, а для исключения случайных погрешностей определения глубин за вертикальное перемещение судна, обусловленные волнением, проседанием судна на мелководье при его движении, используют акселерометры с вертикальной осью чувствительности [2].

Для исключения систематической погрешности определения глубины акватории, обусловленной наличием на акватории приливов и отливов воды, используют информацию временных или постоянных уровенных постов наблюдения за колебанием уровня на акватории [2].

При использовании известных способа и эхолота применение дополнительных технических средств обуславливает сложность, трудоемкость и неавтономность процесса определения глубин с требуемой точностью.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей известного способа съемки рельефа дна акватории и эхолота для его осуществления путем обеспечения автоматического исключения случайных и систематических погрешностей при измерении глубин и определении их геодезических координат с требуемой точностью в процессе съемки рельефа дна акватории.

Поставленная задача достигается тем, что в способе съемки рельефа дна акватории, включающем вождение судна, на котором установлен эхолот, по запланированным галсам, излучение гидроакустических сигналов в сторону судна, прием отраженных от поверхности дна этих сигналов эхолотом, определение геодезических координат приемоизлучающей антенны эхолота, измерение параметров бортовой и вертикальной качек, истинного курса, скорость движения судна, определение по полученным данным истинных значений глубин и их геодезических координат с последующей их регистрацией, в отличие от прототипа в начале каждого галса и в конце проходят судном место расположения опорного гидрографического пункта с известными глубиной и его геодезическими координатами, измеренные в моменты прохода над пунктом глубина Z_измi и ее геодезические координаты фиксируются, вычисляют приращения ΔZ_πi, Δφ_пi, Δλ_пi смежных глубин Z_измi и z_измi+1 смежных гидрографических координат φ_i, φ_i+1 и λ_i, λ_i+1 соответственно, а истинные значения глубин Ζ_i+1 и их геодезические координаты φ_i+1, λ_i+1 в пунктах, расположенных вдоль галса, определяют по формулам:

где i=1, 2, …, n - порядковый номер расчетных значений выбранных глубин Ζ_i+1 и их географических координат φ_i+1, λ_i+1 в пунктах, расположенных на съемочном галсе;

Z_ОА(B), φ_OA(Β), λ_OA(B) - эталонные геодезические координаты и эталонные глубины опорных пунктов А и В, измеренные эталонными техническими средствами соответственно;

k, n - число выбранных расчетных значений Ζ_i+1 и их геодезических координат φ_i+1, λ_i+1 на отрезке съемочного галса, ограниченного опорными пунктами А или В и массивом измерений Ε и опорными пунктами А и В соответственно;

, , - приращения смежных географических координат , , , и смежных глубин и соответственно, определяют по формулам:

, , - поправки к искомым , , соответственно определяют по формулам:

где географические координаты места отражения гидроакустического сигнала от поверхности дна it отсчета определяют по следующим формулам:

где , - значения координат антенны бортового навигационного комплекса;

Μ, N - радиусы кривизны эллипсоида в меридиональном и нормальном сечениях соответственно;

, - поправки к координатам, обусловленные наличием бортовой и килевой

качек судна при его движении в направлении истинного курса ИKi, вычисляют по формулам:

где Z_эi - расстояние до дна, измеренное эхолотом;

α - угол между продольной осью судна и проекцией гидроакустического луча эхолота на горизонтальную плоскость;

γ - угол между диагональной плоскостью судна и проекцией направления луча на вертикальную плоскость;

при этом углы α и γ определяются местом и точностью установки приемоизлучающей антенны эхолота на судне и остаются неизменными до следующей остановки антенны эхолота, их значения определяются заранее и вносятся в программную память навигационного комплекса, при этом навигационным комплексом также определяют скорость, курс, координаты, углы бортовой и килевой качки судна (Δγ_δi, Δγ_ki), поправки к координатам x_i, y_i, за отличие координат антенны спутниковой навигационной системы навигационного комплекса от места расположения приемоизлучающей антенны эхолота соответственно (Δx_αi, Δy_αi, определяют по формулам:

где x, y, h - относительные координаты между приемоизлучающей антенной эхолота и антенной навигационного комплекса, причем эти координаты остаются постоянными;

Δx_ti, Δy_ti - поправки к координатам x_i, y_i за отличие времени измерения параметров эхолотом t_ZMi и бортовым навигационным комплексом t_Ki:

где Δti=(t_ZMi-t_Ki) - разность времени измерения эхолотом и бортовым навигационным комплексом;

υ_i - скорость движения судна в i-м отсчете, определенная навигационным комплексом;

глубину места отражения гидроакустического сигнала Z_Mi для i-го результата измерений Z_Эi с учетом бортовой, килевой и вертикальной качки судна, а также разновременностью измерений параметров качки и расстояния до дна определяют по формуле:

где Δt_i - поправка к глубине места отражения гидроакустического сигнала, обусловленная разновременностью измерений эхолота и бортового навигационного комплекса.

Поставленная цель достигается также тем, что эхолот для осуществления заявленного способа содержит приемоизлучающую систему, передающий блок, приемоизмерительный блок, блок управления, блок определения истинных значений глубин и их геодезических координат на акватории и регистратор, при этом выход передающего и вход приемоизмерительного блоков соединены соответственно через блок управления с входом и выходом приемоизлучающей антенны, а также выходы приемоизмерительного блока и навигационного комплекса судна через блок управления соединены к входу введенного блока определения истинных глубин акватории и их геодезических координат, свободных от случайных математических погрешностей, выход которого соединен с входом регистратора.

Пример осуществления заявленного способа.

На фиг. 1 схематически изображен заявленный способ.

На фиг. 2 изображена структурная схема эхолота для осуществления заявленного способа.

Эхолот для осуществления заявленного способа содержит (фиг. 2):

приемоизлучающую систему - 1, передающий блок - 2, приемоизмерительный блок - 3, блок управления - 4, введенный блок определения истинных значений глубин и их геодезических координат, свободных от систематических погрешностей на акватории - 5, и регистратор - 6, при этом выход передающего блока - 2 и вход приемоизмерительного блока - 3 соединены соответственно через блок управления - 4 с входом и выходом приемоизлучающей антенны - 1, а также выходы приемоизмерительного блока - 3 и навигационного комплекса судна через блок управления - 4 соединены с входом введенного блока - 5 автоматического определения истинных глубин акватории и их геодезических координат свободных от случайных систематических погрешностей, выход которого соединен с входом регистратора - 6.

Заявленный способ съемки рельефа дна акватории реализуется заявленным многолучевым эхолотом следующим образом.

На акватории съемки заблаговременно оборудуют в заданном месте (местах) один опорный гидрографический пункт (ОГП) или два ОГП, в местах расположения которых устанавливают, например, существующие пассивные или активные акустические отражатели, и известными [1] высокоточными методами определяют глубину (относительно нуля глубин) в местах расположения ОГП и их геодезические координаты.

Вначале каждого галса и в конце его проходят судном через место расположения ОГП и измеряют в этот момент глубину и ее геодезические координаты заявленным эхолотом и их фиксируют.

Во время прохождения судна вдоль каждого галса по командным управляющим импульсам, выработанным блоком управления - 4, в передающем блоке - 2 осуществляется формирование гидроакустического импульса и излучение его приемоизлучающей системой - 1 в сторону поверхности дна, а также прием и преобразование в электрическую форму отраженных дном акустических сигналов, которые поступают на вход приемоизмерительного блока - 3, в котором вырабатываются электрические сигналы, пропорциональные временным задержкам прихода отраженных от поверхности дна гидрографических сигналов, по которым определяются глубины z_эi от приемоизлучающей антенны - 1 до места отражения сигнала от поверхности дна акватории и время t_эi определения глубины z_эi, которые поступают в блок - 5 автоматического определения истинных глубин акватории и их геодезических координат, свободных от случайных систематических погрешностей на акватории.

По управляющим импульсам, выработанным блоком управления - 4, от навигационного комплекса судна поступают в блок - 5 гидрографические координаты антенны - 7 навигационного комплекса, координаты Δγ_δi Δγ_ki, Δh_ki, бортовой, килевой и вертикальной качки соответственно; истинный курс судна ИК_i и скорость υ_i движения судна относительно дна время измерений t_ki навигационным комплексом данных параметров для обработки информации.

В результате обработки указанной поступающей информации в блоке - 5 определяются истинные глубины z_i+1 в местах отражения гидроакустического сигнала от поверхности дна акватории и их истинные гидрографические координаты φ_i+1, λ_i+1, которые поступают на вход регистратором - 6 для документирования полученных результатов. Передающий - 2 и приемоизмерительный - 3 блоки могут быть выполнены на базе ЭВМ типа PC/AT или в виде серийного микропроцессора.

Блок управления - 4 может быть выполнен на базе ЭВМ типа IBM PC/AT или в виде серийного микропроцессора.

Блок-5 автоматического определения истинных глубин акватории и их геодезических координат, свободных от случайных систематических погрешностей, может быть выполнен на основе ЭВМ PC/AT фирмы IBM со специальным программным обеспечением.

Предложенное техническое решение является новым, поскольку обеспечивает получение данных для исключения вычислительным путем случайных и систематических погрешностей, имеющих место при измерении глубин и их геодезических координат с эхолотом с требуемой точностью по всему диапазону глубин на акватории съемки.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование и приспособления, используемые для изготовления морских приборов и технических средств, а также существующие навигационные и гидрографические технические средства.

Анализ формул (1), (2), (3) показывает, что если принять гипотезу, что слагаемые под знаком суммы в правых частях не отягощены постоянными и периодически изменяемыми системами галсами погрешностями, поскольку в приращениях данные погрешности практически исключаются, а включают лишь случайные погрешности, которые малы по величине и имеют разные знаки, то при большом количестве измерений все указанные суммы будут стремиться к нулю. Следовательно, погрешность определения глубин и их координат будут определяться погрешностями геодезических координат и глубин в ОГП.

Геодезические координаты в ОГП могут быть определены путем использования высокочастотных РНС типа «Грас» или спутниковой навигационной системы типа «ГЛОНАС» или типа «GPS» в дифференциальном режиме работы, которая обеспечивает точность 0,1 м.

Глубина места нахождения на поверхности дна ОГП может быть определена, например, по местам на мерном тросе с грузом при его вертикальном положении. Минимальная цена деления на маркированном тросе не превышает 5 см, следовательно, погрешность глубины измерения мерным тросом не будет превышать 5 см.

Технико-экономическая эффективность заявленного способа съемки рельефа дна акватории и эхолота заключается в том, что обеспечивается автоматическое исключение указанных выше случайных и систематических погрешностей, имеющих место при съемке рельефа дна акватории эхолотом с требуемой точностью в процессе съемки рельефа дна акватории.

Источники информации

1. Баландин Л.А. и др. Средства и методы топографической съемки шельфа. М.: Недра. - с. 92,97.

2. Коломийчук Н.Д. Гидрография. ГУН и ОМО. 1988. - с. 257.