Водолазная электроника

– плохая читаемость показаний приборов в мутной воде;

– увеличение ошибки измерения скорости и дистанции механического (вертушечного) лага со временем за счёт износа трущихся поверхностей или их загрязнения;

– невозможность учёта приливо-отливных, ветровых и постоянных течений.

Всё это делает невозможным длительное плавание водолаза и ПСД по счислению из-за больших навигационных ошибок.

2.1.2. Навигационные приборы счисления места второго поколения

В последние годы нашим специалистам удалось значительно повысить точность плавания водолаза и ПСД по счислению за счёт внедрения:

– цифровых магнитных компасов;

– электронных глубиномеров;

– абсолютных (доплеровских) гидроакустических лагов.

– бесплатформенных инерциальных систем.

2.1.2.1. Цифровой магнитный компас представляет собой прибор, у которого нет вращающейся картушки или магнитной стрелки, а положение в магнитном поле Земли определяется с помощью магнитных (магнитометров, магниторезисторов) или индукционных датчиков.

Для примера рассмотрим цифровой магнитный компас ЦМК-01 (рис. 7). Он предназначен для измерения трёх компонент магнитного поля Земли и определения магнитного азимута.

Основными конструктивными узлами являются:

– трехкомпонентный магнитометрический гальваномагнитный преобразователь;

– цифровой интерфейс обмена данными;

– высокая частота выдачи измерений;

– встроенный цифровой датчик температуры для температурной компенсации результатов измерений.

Рис. 7. Цифровой магнитный компас ЦМК-01.

Основные технические характеристики компаса ЦМК-01 приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Структурная схема ЦНК-01 приведена на рис. 8.

Большим преимуществом цифровых магнитных компасов перед обычными (стрелочными, картушечными) является наличие микроконтроллера, позволяющего автоматически вводить поправки на магнитное склонение и девиацию, что значительно повышает точность курсоуказания. Другим преимуществом является возможность отображения курса на цифровом индикаторе или электронном планшете с хорошей читаемостью ночью или в мутной воде.

Рис. 8. Структурная схема компаса ЦНК-01.

В последние годы появились цифровые компасные платы (рис. 9), которые легко встраиваются в цифровой навигационный комплекс.

Рис. 9. Цифровая компасная плата HMR3100 на индукционных датчиках.

В состав платы входит аксельрометр для компенсации дифферента.

2.1.2.2. Электронные глубиномеры (датчики глубины) представляют собой механоэлектрический преобразователь – сенсор, то есть устройство, преобразующее давление, в электрический параметр: сопротивление, емкость, электрический заряд и т. д. Сенсор должен иметь чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает распределенную по поверхности силу и преобразует механическую энергию в электрическую. Идеальным решением для создания сенсора давления в нашей стране оказалось применение структуры кремний на сапфире (КНС).

Выбор сенсора КНС типа объясняется наличием отечественных производителей данного типа приборов, высокими исходными метрологическими характеристиками. Это позволило создать малогабаритные электронно-цифровые глубиномеры с диапазоном измерения глубин 1 – 10000м. и погрешностью измерений 0,06% (рис. 10.) Созданы также индукционные и ёмкостные датчики давления.

Рис. 10. Электронный датчик глубины на основе КНС.

2.1.2.3. Абсолютные (доплеровские) гидроакустические лаги (рис. 11) измеряют скорость судна относительно грунта. Все разработанные в настоящее время малогабаритные абсолютные лаги являются высокочастотными.

Принцип их работы основан на использовании эффекта Доплера. Импульс ультразвуковых колебаний, посылаемых с судна, отражается от грунта и возвращается обратно к судовому приемнику лага. При движении судна частота принятого сигнала будет отличаться от излучаемой в зависимости от скорости хода. Принцип работы ГАЛ заключается в измерении доплеровского сдвига частоты высокочастотного гидроакустического сигнала, посылаемого с судна и отражённого от поверхности дна. Результирующей информацией являются продольная и поперечная составляющей путевой скорости. ГАЛ позволяет измерить их с погрешностью до 0,1%. Разрешающая способность высокоточных ГАЛ составляет 0,01 уз.

Рис. 11. Характеристики направленности антенн ГАЛ. Цифрами на рисунке обозначены акустические лучи от антенн.

Большинство существующих ГАЛ морских судов обеспечивают измерение абсолютной скорости при глубинах под килём до 200—300 м. При больших глубинах лаг перестаёт работать или переходит в режим измерения относительной скорости, т.е. начинает работать от некоторого слоя воды как относительный лаг. Антенны ГАЛ не выступают за корпус судна.

Для водолазов и ПСД ГАЛ должен иметь минимальные габариты, поэтому рабочая частота его выбирается в диапазоне 200 – 300кГц. Это обеспечивает измерение глубины и скорости ПА (ПСД) до 50м.

В начале 90-х годов в СССР была завершена разработка малогабаритных лагов ЛА-51, ЛА-52 и ЛА-53, обладавших повышенными точностными и эксплуатационными характеристиками. Причем, информационные возможности двух последних были значительно расширены за счет обеспечения измерений (помимо абсолютной и относительной скорости корабля) скорости и направления течений на различных горизонтах, глубины моря в точках падения на грунт акустических лучей лага и отстояния этих точек от антенной системы. ГАЛ ЛА-51 был установлен на ПСЛ «Сирена-М» и прошёл государственные испытания.

В настоящее время созданы малогабартные ГАЛ для водолазов и ПСД массой 3 – 5 кг. На глубинах более 50м они работают как относительные (измеряют скорость относительно нижних слоёв воды), что несколько снижает точность их показаний.

2.1.2.4. Бесплатформенные инерциальные системы (БИНС) это новый вид инерциальных приборов, имеющих малые габариты и позволяющих выдавать координаты водолаза или ПСД в трёх плоскостях.

Основа БИНС это блок чувствительных элементов, состоящий из 3-х ортогонально расположенных гироскопов (датчиков угловой скорости) и 3-х ортогонально расположенных акселерометров.

Блок-схема БИНС представлена на рис. 12.

Рис. 12. Блок-схема бесплатформенной инерциальной системы.

В бесплатформенных инерциальных навигационных системах нет подвижных деталей. Сам гироскоп, можно сказать, трансформировался в электровакуумный прибор.

В настоящее время гироскопы есть лазерные, волоконно-оптические, волновые твердотельные, микро-механические. Какой из них самый совершенный – это вопрос удовлетворения требований потребителя к точности формирования навигационной информации. Чем ниже точность и проще технология, тем дешевле БИНС.

Есть и другие типы гироскопов, которые еще не достигли технологического совершенства и не используются индустриально, например, СВЧ, ядерный магнитно-резонансный (рис. 13.), гироскоп на холодных атомах и другие.

Рис. 13. Гироскоп на базе микроядерного магнитного резонанса (рядом монета).

Современный БИНС на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах является одним из наиболее сложных, дорогих и высокотехнологичных изделий авиакосмической промышленности.

Разработкой БИНС авиационного применения в России занимаются ряд организаций, в том числе и Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА), входящий в КРЭТ. Причем БИНС только этого института принят в серийное производство. Системы навигации на лазерных гироскопах и кварцевых акселерометрах, разработанные в МИЭА входят в состав комплексов бортового оборудования современных и перспективных самолетов гражданского и военного назначения.

Кольцевые лазерные гироскопы и кварцевые акселерометры сегодня – самые точные и наиболее распространенные в мире.

Принцип действия лазерного гироскопа заключается в том, что внутри замкнутого по периметру пространства, образованного системой зеркал и корпусом, изготовленным из специального стекла, возбуждаются два лазерных луча, которые по каналам идут навстречу друг другу. Когда гироскоп находится в состоянии покоя, два луча «бегут» навстречу друг другу с одинаковой частотой, а когда начинает совершать угловое движение, то каждый из лучей изменяет свою частоту в зависимости от направления и скорости этого движения.

Через одно из зеркал выводится часть энергии лучей и формируется интерференционная картина. Наблюдая за этой картиной, с помощью фотоприемника считывают информацию об угловом движении гироскопа, определяют направление вращения по направлению движения интерференционной картины и величину угловой скорости по скорости ее движения. Фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический, а дальше начинаются процессы его усиления, фильтрации и отделения помех.

Сам гироскоп одноосный, он измеряет угловую скорость, действующую вдоль его оси чувствительности, которая перпендикулярна плоскости распространения лазерных лучей. Поэтому система состоит из трех гироскопов. Для получения информации не только об угловом, но и о линейном движении объекта в системе используются три измерителя ускорения – акселерометра. Это очень точные приборы, в которых на упругом подвесе в виде маятника подвешивается пробная масса. Современные акселерометры осуществляют измерения с точностью до одной стотысячной доли ускорения свободного падения.