«Акустическое профилирование является традиционным методом исследования геологического строения дна акваторий при решении разного рода научных и производственных задач. Использование низкочастотного профилографа, с ЛЧМ ...»

СЕКЦИЯ 2

Технические средства и методы

акустических, геофизических и

физико-химических исследований океана,

биотехнологии и экология

ОПЫТ РАБОТЫ АКУСТИЧЕСКОГО ПРОФИЛОГРАФА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

АЛГОРИТМОВ СИНТЕЗИРОВАНИЯ И ФОКУСИРОВКИ

Б.А. Касаткин, Г.В. Косарев

Институт проблем морских технологий ДВО РАН.

690950, Владивосток, ул. Суханова, 5а, тел/факс: (4232) 432416, e-mail: [email protected] В докладе представлены результаты обследования прибрежных морских акваторий и глубоководных участков морского дна акустическим профилографом высокого разрешения разработанным в ИПМТ ДВО РАН. Приведены профилограммы дна на различных трассах. В качестве носителя акустического профилографа использовалось, как буксируемое устройство так и автономный подводный аппарат, Показана возможность применения алгоритмов синтезирование применительно к обработке профилографических данных с целью повышения разрешающей способности по горизонтальной дальности.

Акустическое профилирование является традиционным методом исследования геологического строения дна акваторий при решении разного рода научных и производственных задач. Использование низкочастотного профилографа, с ЛЧМ зондирующими сигналами, цифровой системой формирования зондирующего сигнала, сбора, отображения и обработки данных, разработанного в ИПМТ ДВО РАН для обследования рельефа дна и донных отложений, поиска объектов на дне и в толще дна подтвердило его высокие эксплуатационные возможности [1,2]. В качестве носителя акустического профилографа использовалось, как буксируемое устройство так и автономный подводный аппарат. Полоса рабочих частот профилографа от 2,5 до 8 кГц, Разрешающая способность при определении глубины залегания осадочных слоев не хуже 0.3 м.

Актуальным остатся вопрос о разработке методов распознавания профилограмм стратификации донных отложений. Знание физических свойств (пористости, плотности, скорости распространения волн, анизотропии скорости, поглощения волн) и их взаимосвязи необходимо при интерпретации результатов исследования характеристик морского грунта. Осадочные породы имеют различное происхождение, их толщина колеблется от нескольких сантиметров до сотен метров.

В зависимости от плотности они делятся на рыхлые осадки (ил, глина, илистый и глинистый песок, водонасыщенный песок), полууплотненные (песок, мягко-пластичная глина, песчаная глина, рыхлый известняк) и уплотненные (сцементированный известняк, каменный обломочный материал).

Анализ амплитуд эхосигналов и их спектра позволяет выполнить оценку акустических характеристик грунта, на основании которых рассчитываются классификационные признаки, позволяющие отнести тип грунта к одному из классов.

Количественный анализ эхосигнала заключается в оценке амплитуд сигналов (пиков огибающей эхо - трассы), отраженных от границы вода - дно и поддонных слоев.

В результате комплексного анализа классификационных признаков с учетом особенностей литологической структуры донных грунтов удается разделить морские осадки на следующие литологические группы: илы, глины, пески, скальный грунт. Для решения задачи по приблизительной классификации донных осадков, как правило, используют наработанную базу данных отраженных эхосигналов в комплексе с набранными грунтодобывающими приборами пробами грунта, информационными данными об осадках и породах с карт и отчетов проектов глубоководного бурения.

Основные акустические характеристики донных грунтов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Акустические характеристики донных грунтов Коэффициент Плотность Скорость Затухание (г/см3) ТИП ГРУНТА отражения звука (дБ/м•кГц) (км/сек) Ил газонасыщенный -0,3- -0,5 1.1-1.4 0.5-1.4 0.8-0. Ил жидкий < 0,15 1.45-1.5 1.1-1.2 0. Ил глинистый 0,15-0,2 1.45-1.46 1.4-1.5 0.08-0. Ил с алевритом и песком 0,2 -0,27 1.41-1.48 1.6-1.7 0.2-0. Пески тонко и мелкозернистые 0,27-0,30 1.55-1.60 1.95-2.03 0.4-0. Пески крупнозернистые с 0,30-0,35 1.515-1.557 1.86-2.11 0. гравием Гравий 0,35-0,4 1.55-1.65 2.05-2.3 0. Глины мягкопластичные 0,25-0,30 1.4-1.6 1.5-1.88 0.2-0. Глины плотные 0,3-0,42 1.52-1.59 1.82-1.98 0.48- Выходы Скальные >6.6 >2. Коренных кристалл 0,4 –0,62 3.6-6.6 2.35-2.9 0.05-0. Пород Скалн. осад. 3.1-4.0 2.4-2. происх.

Литоф. осад.

породы Анализ амплитуд эхосигналов и их спектра позволяет выполнить оценку акустических характеристик грунта, на основании которых рассчитываются классификационные признаки, позволяющие отнести тип грунта к одному из классов.

Количественный анализ эхосигнала заключается в оценке амплитуд сигналов (пиков огибающей эхо - трассы), отраженных от границы вода - дно и поддонных слоев.

В результате комплексного анализа классификационных признаков с учетом особенностей литологической структуры донных грунтов удается разделить морские осадки на следующие литологические группы: илы, глины, пески, скальный грунт. Для решения задачи по приблизительной классификации донных осадков, как правило, используют наработанную базу данных отраженных эхосигналов в комплексе с набранными грунтодобывающими приборами пробами грунта, информационными данными об осадках и породах с карт и отчетов проектов глубоководного бурения.

Профилирование мелководного участка проводилось в заливе Петра Великого, б.

Троицы. АНПА двигался по поверхности со средней скоростью 1,1 м/с (2,1 узла). Длина обследуемого участка составляет 5237м. Геологическое строение бассейна залива и геоакустическая модель подробно представлены в работе [3].

На профилограмме (рис. 1) хорошо выделяются области со следующие типами грунтов:

1 - многослойные неконсолидированные илистые отложения (рыхлый кремнисто-глинистый осадок), заполняющие морские впадины бывшие некогда руслами рек, 2 - плотные осадочные породы (песчаник крупный алеврит); 3 - выходы скальных пород. На профилограмме четко видно второе отражение от дна в областях с типом грунта 2,3.

Области, где имеются выходы скальных пород, подтверждены НЧ ГБО съемкой, которая проводилась одновременно с профилографической. На рис. 2 приведен фрагмент электронного планшета профилографа, привязанный к карте местности, показаны траектория движения АНПА при профилографической съемке. Координатные данные получены от комплексной навигационной системы АНПА. Фрагменты траектории движения АНПА, как, соответственно и на профилограмме, окрашены разным цветом соответственно типу грунта на данном участке, типы грунта: 1 - илистые отложения; 2 - плотные осадочные породы; 3 - выходы скальных пород. На траектории, как и на профилограмме, имеются метки времени, соответствующие времени работы АНПА в этих точках.

Рис. 1. Профилограмма дна залива Петра Великого, б. Троицы, общая длина обследуемого участка 5237м.

АНПА двигался по поверхности, типы грунта: 1 - илистые отложения; 2 - плотные осадочные породы; 3 выходы скальных пород.

Рис. 2. Фрагмент электронного планшета профилографа. Показаны траектория движения АНПА при профилографической съемке дна залива Петра Великого, б. Троицы. Фрагменты траектории движения АНПА окрашены разным цветом соответственно типу грунта на данном участке, типы грунта: 1 - илистые отложения; 2 - плотные осадочные породы; 3 - выходы скальных пород.

На основании анализа полученных результатов, измеренные уровни амплитуд отраженных сигналов от рыхлого илистого осадка в 3.8 раза меньше чем от плотных осадочных пород и в 4.2 раза меньше чем от скальных пород. Полученные соотношения подтверждают соотношение данных приведенных в таблице 1. Таким образом, на основании приведенных результатов, можно приблизительно делать прогноз по литологическому составу грунта. Для наиболее полного анализа свойств грунта -гранулометрического и вещественного в соответствии с таблицей 1 необходимо иметь точно откалиброванный приемо-излучающий тракт и соответствующую ему базу данных.

На рис. 3 приведена профилограмма дна, полученная в глубоководном районе Японского моря (глубина моря 2830 м), АНПА двигался со средней скоростью 0,88 м/с (1, узла), общая длина обследуемого участка составила 2723 м. Тип грунта: илистые слоистые структуры с сильным поглощением акустического сигнала. На профилограмме заметны два основных слоя, между которыми возможны полости с водой, и выходы этих полостей на донную поверхность. Это подтверждается и данными ВЧ ГБО.

Рис. 3. Профилограмма дна, полученная в глубоководном районе Японского моря,. Тип грунта: илистые слоистые структуры с сильным поглощением акустического сигнала Использование широкополосных импульсных излучаемых сигналов большой длительности позволяет существенно увеличить глубину зондирования морского дна, а применение корреляционных методов обработки таких сигналов позволило улучшить разрешающую способность по глубине. Разрешающая способность по горизонтальной дальности определяется шириной диаграммы направленности приемной и излучающей антеннами профилографа, которые в свою очередь зависят от геометрии антенны, частоты излучения и типа антенных модулей. Получение высокого разрешения по горизонтальной дальности, при использовании обычной антенны малого размера, возможно с помощью виртуальной антенны с синтезированной апертурой. Особенностью профилографической съемки является то, что носитель антенны профилографа движется с равномерной скоростью по прямолинейной траектории. Таким образом можно рассматривать искусственную антенную систему, состоящую из N рядом стоящих элементов как линейную решетку.

Алгоритмы синтезирования, используемые в радиолокационных системах нашли свое применение и в различных гидролокационных системах [4,5]. Исследование алгоритмов синтезирование применительно к обработке профилографических данных подробно описано в работе [6]. В работе [7] описан алгоритм синтезирования апертуры профилографа.

Для анализа эффективности применения методов синтезирования были использованы результаты измерений акустического профилографа, любезно предоставленные учеными из ТОИ ДВО РАН, со следующими характеристиками:

3. шириной диаграммы направленности Рис. 4. Исходное изображение профиля дна,(а), размер апертуры антенны -0.4 м и обработанное изображение, Рис. 5. Исходное изображение профиля дна (а), размер апертуры антенны -0.4м и обработанное изображение, На рис. 4-5 приведены примеры исходных изображений (а) и (б), обработанных с применением алгоритма синтезирования. На рис. 5 дно имеет слоистую структуру, отчетливо выделяется несколько плотных слоев и множество слабовыраженных слоев. На рис. 3 верхняя часть донных осадков представлена неконсолидированной массой донных осадков типа жидкого грунта, под ними располагаются неоднородная масса, состоящая из ила, перемешанного с плотными материалами. На всех изображениях можно заметить некие локальные вкрапления плотных пород, проявляющие себя в виде гиперболических осей с экстремумами на временах, соответствующих верхней образующей объекта.

В результате обработки характерные гиперболические сигнатуры в месте расположения локальных объектов в толще дна превращаются в точки после когерентной обработки, улучшается разрешение, что позволяет реально оценить размеры локальных объектов.

Аналогичные результаты были получены после обработки данных с помощью буксируемоего акустического ЛЧМ профилографа высокого разрешения разработанного в ИПМТ ДВО РАН. На рис. 7 приведена профилограмма дна в поперечном разрезе Амурского залива на траверзе мыса Россета. На ней хорошо виден слоистый чехол осадочных пород, мощность которого увеличивается с (10–12)м. на акватории, прилегающей к городу, до (30– 35)м на противоположной части залива. На рис. 8 приведено обработанное изображение с применением алгоритма синтезирования. После обработки становятся более контрастными донные структуры с хорошим отражением, а также можно заметить, что увеличивается глубина прозвучивания, как следствие сужения диаграммы направленности синтезированной антенны.

Рис. 7. Профилограмма дна в поперечном разрезе Амурского залива на траверзе мыса Россета.

Дно с чехлом наносных осадочных пород и крупноблочным основанием. Исходное изображение Рис. 8. Профилограмма дна в поперечном разрезе Амурского залива на траверзе мыса Россета. Обработанное Данные примеры иллюстрируют эффективность применения методов синтезирования апертуры в системе с данными параметрами сигнала и условиями проведения измерений для целей выделения малоразмерных структур и объектов.

1. Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Использование акустического профилографа на борту АНПА для исследования структуры глубоководного участка дна в Северном Ледовитом океане. Труды IX Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Санкт-Петербург. Наука, 2008, с. 152-154.

2. Косарев Г.В. Результаты профилирования морского дна в шельфовой зоне морей..

Труды 3 всероссийской научн. техн. Конф. Технические проблемы освоения мирового океана, Владивосток, 2009г., с.201-203.

3. Свининников. А.И.. Петрофизика западной части Тихого океана и окраинных морей востока Азии. –Владивосток, Дальнаука, 2004.

4. Bonifant W.W.Jr. Interferometic Synthetic Aperture Sonar Processing: a thesis presented to the Academic Faculty In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science in Electrical Engineering. Georgia Inst. of Tech. 1999.

5. Костоусов А.В., Костоусов В.Б. Моделирование гидролокатора бокового обзора с синтезированной апертурой // Материалы IV Международного симпозиума «Обобщенные решения в задачах управления». Изд-во Бурятского госуниверситета, 2008. С.74-76.

6. Касаткин Б.А., Косарев Г.В.. Цифровая обработка сигналов акустическим профилографом методами синтезирования апертуры Труды 3 всероссийской научн. техн.

конф. Технические проблемы освоения мирового океана, Вл-к, 2009 г., с. 317-319.

7..Захаров А.И., Каевицер В.И., Разманов В.М., Раскатов В.Н. Применение методов синтезирования апертуры в низкочастотных эхолотах-профилографах // Труды IX Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Санкт-Петербург.

Наука, 2008. С.143-147.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК

ЦИФРОВОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В

МЕЛКОВОДНОМ РАЙОНЕ ПРИ НАЛИЧИИ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА

Д.Д. Минаев, В.В. Негода, Р.В. Леоненков, А.С. Корытко 690091, г. Владивосток, ул. Пушкинская, д.10., тел /факс: (423) 221592, 690091, Владивосток, ул. Суханова, 5а, тел /факс: (423) 2432416, Специальное конструкторское бюро средств автоматизации 693023, г. Южно-Сахалинск, ул. Горького, д.25, тел /факс: (4242) 236966, В докладе рассматриваются методика и результаты экспериментальных исследований характеристик гидроакустического канала передачи информации организованного с применением цифровых гидроакустических модемов типа S2CR 18/34 фирмы EvoLogics (Германия) выполненных в мелководном районе при наличии ледового покрова.

Создание автономных технических средств геоэкологического мониторинга прибрежных морских акваторий, испытывающих на себе значительное антропогенное воздействие, для доставки информации о состоянии среды конечному потребителю предполагает использование совокупности различных каналов передачи информационных сообщений [1]. В качестве одного из основных каналов передачи информации в подводном пространстве можно рассматривать гидроакустический канал. Однако эффективное применение гидроакустических средств передачи информации в значительной степени определяется характеристиками среды [2-5]. К особенностями прибрежных морских акваторий можно отнести незначительные глубины, наличие ледового покрова в течение длительного (до 5 месяцев в году) периода, изменчивость вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) [3], изменчивость акустических шумов [5] и др. В этой связи оценка характеристик гидроакустического канала передачи информации в сложных условиях не возможна без анализа данных полученных в ходе натурных экспериментальных исследований. Особый практический интерес представляют результаты исследований, полученные при наличии ледового покрова.

Исследования проводились на оз. Тунайча (о. Сахалин) в феврале 2013 года. В ходе проведения исследований оценивались возможности и характеристики канала передачи информации организованного с применением цифровых гидроакустических модемов типа S2CR 18/34 фирмы EvoLogics (Германия) [6]. Работы проводились на специально оборудованном полигоне, в пределах которого осуществлялись прямые измерения вертикального профиля скорости звука и глубины, а так же оценивались характеристики акустических помех и сигналов встроенными в гидроакустические модемы программноаппаратными средствами. Методика исследований предполагала оценку характеристик цифрового гидроакустического канала передачи информации в прямом и обратном направлениях при передаче пакетных сообщений различного объема и формата данных, передаче сообщений формата NMEA 0183 в реальном времени, а так же передаче изображений и организации видеоконференции с передачей видеоряда через водную среду.

Программа исследований включала проведение натурного и вычислительного экспериментов. Вычислительные эксперименты проводились с использованием данных о характеристиках канала распространения, полученных методами прямых измерений в ходе натурного эксперимента.

Основными характеристиками цифрового гидроакустического канала передачи информации подлежащими оценке являлись время и скорость передачи тестовых пакетных информационных сообщений на различных дистанциях, достоверность передачи тестового сообщения (контрольная сумма принятого файла данных), точность оценки расстояния и временных задержек между корреспондентами, оценка параметров многолучевости. Указанные параметры определялись в прямом и обратном направлениях. Кроме того, в ходе проведения эксперимента осуществлена передача сообщений формата NMEA 0183 в реальном масштабе времени, а так же передача изображений и организована видеоконференция с передачей видеоряда через водную среду.

Методика проведения эксперимента предполагала оборудование стационарного и мобильного пунктов информационного обмена. Схема проведения исследований на акватории озера Тунайча представлена на рис.1, а схема размещения оборудования стационарного и мобильного пунктов информационного обмена представлена на рис.2.

Рис.2. Схема размещения оборудования стационарного и мобильного пунктов информационного обмена в ходе проведения исследований на Проектирование опорных точек полигона и станций измерения ВРСЗ производилось при помощи электронной картографической навигационно-информационной системы ДКарт.

Вынос в натуру координат запроектированных опорных точек полигона и станций измерения ВРСЗ осуществлялся спутниковым навигационным GPS приемником типа Magellan ColorTRAK.

Для увеличения точности определения расстояния между пунктами информационного обмена в ходе проведения работ производилась осреднение координат определяемых GPS приемником не менее чем по 100 измерениям. В расчет принимались значения обсерваций не менее чем по спутникам и значениями фактора HDOP (горизонтальная точность определения плановых координат) не выше 2.0.

Антенны цифровых гидроакустических модемов были расположены на горизонте 5.5 м, глубина расположения антенн оставалась неизменной в ходе проведения эксперимента. Для постановки гермоконтейнеров с оборудованием модемов во льду были сделаны майны размером 1.0Х1.0 метра. В ходе оборудования майн определялась структура и толщина ледового и снежного покрова. Толщина однородного слоя льда составила не менее 0.5 м, далее располагался слой рыхлого водонасыщенного льда толщиной до 0.25 м, а над ним не менее 0.5 м снега. Для удобства размещения персонала и оборудования в ходе проведения исследований на льду над оборудованными майнами были установлены палатки. По мере выполнения программы работ палатка мобильного пункта информационного обмена с находящимся в нем оборудованием перемещалась по трассе полигона (см. рис.1 и рис. 2).

Измерения профиля скорости звука от поверхности до дна производились измерительным зондом RESON SVP-15 (диапазон измерения скорости звука 1375...1900 м/с, точность измерения скорости звука 0.02 м/с), с регистрацией результатов измерений на ПЭВМ. Процесс измерения представлял собой получение 6-ти последовательных реализаций профиля ВРСЗ, с последующим усреднением измеренных значений. Значения скорости звука интерполировались с шагом 0,5 м по глубине. Измерения производились со льда через заранее оборудованные лунки, расположенные через каждые 50 метров по трассе исследуемого полигона (см. рис. 2). По данным датчика давления измерительного зонда дополнительно осуществлялось измерение глубин на каждой из станций. Результаты измерений были использованы в качестве исходных данных вычислительных экспериментов в целях оценки характеристик канала распространения на исследуемой трассе с применением методов лучевой акустики.

Для оценки характеристик цифрового гидроакустического канала передачи информации использовались два вида тестовых сообщений. В качестве основного тестового сообщения был использован сформированный текстовый файл содержащий символ «0» объемом 1024 байта. В качестве дополнительного тестового сообщения был использован сформированный файл с расширением *.PNG содержащий изображение телевизионной испытательной таблицы с разрешением 769Х577 объемом 50659 байт. В ходе проведения исследований осуществлялся взаимный информационный обмен сформированными тестовыми сообщениями между стационарным и мобильными пунктами. Программа исследований предполагала тестирование канала передачи в каждой точке положения мобильного пункта посредством взаимного обмена тестовыми информационными сообщениями. При этом передача текстового файла осуществлялась не менее 20 раз, а файла содержащего изображение не менее 10 раз. В качестве основных параметров документировалось:

- время передачи информационного сообщения в секундах; - объем переданного и принятого сообщения в байтах; - эффективная скорость передачи информации (Net bitrate) бит/с; - номинальная скорость передачи информации (Raw bitrate) бит/с. Документирование параметров осуществлялось при помощи специализированного программного обеспечения входящего в состав программно-аппаратных средств гидроакустических модемов S2CR 18/34. Качество (целостность) принятого тестового сообщения оценивалось по совпадению с контрольной суммой образа. Параллельно с оценкой основных параметров канала передачи оценивались:

- время распространения сигнала от точки излучения до точки приема; - показатели многолучевости канала распространения (количество основных энергонесущих групп лучей, время задержки каждой группы лучей). Оценка данных показателей осуществлялась с помощью системы внутреннего контроля входящей в состав программно-аппаратных средств гидроакустических модемов S2CR 18/34 в командном режиме после передачи тестовых сообщений.

Оценка возможности передачи сообщений формата NMEA 0183 в режиме реального времени выполнялась с применением спутникового навигационного GPS приемника типа Magellan ColorTRAK. Сообщения формата NMEA 0183 (GGA, RMC, GSA, GSV, GLL) с цифрового выхода GPS приемника поступали на входной RS-232 порт гидроакустического модема. Параллельно с этим NMEA сообщения в виде текстового файла документировались на ПЭВМ для оценки качества канала передачи. Скорость межприборного обмена составляла бит/с. Качественный анализ предполагал оценку целостности структуры каждого из передаваемых типов NMEA сообщений и отсутствие пропусков данных.

В ходе проведения исследований также была организована видеоконференция с передачей видеоряда через водную среду. Для этого приборные части гидроакустических модемов были подключены к ПЭВМ через интерфейс RS 232, а к USB порту одной из ПЭВМ дополнительно была подключена стандартная Web камера. На обеих ПЭВМ было актуализировано программное обеспечение, входящее в состав гидроакустических модемов EvoLogic 18/34 – «S2C modem demonstration software» Version 1.2. Функциональный состав программного обеспечения имеет опцию «Webcam» и позволяет в качестве источника данных использовать изображение, формируемое внешней Web камерой. Оптимизация соотношения качество/размер передаваемого по гидроакустическому каналу кадра видеоконференции осуществлялось регулятором качества изображения Web камеры в ручном режиме. Количественная оценка предполагала определение времени передачи кадра видеоизображения заданного разрешения, а качественный анализ визуальную оценку качества передаваемого кадра видеоизображения.

Вычислительные эксперименты были выполнены для ненаправленного приемаизлучения, диапазона выхода лучей +150 и частоты акустического сигнала 34 кГц. По результатам измерений глубины места и ВРСЗ на трассе исследуемого полигона была сформирована модель волновода с переменными параметрами для проведения расчетов по программе [7,8]. Для оценки точности определения дистанции между пунктами информационного обмена для модели волновода с переменными параметрами методами лучевой акустики были произведены расчеты характеристик лучевых компонент и в частности определены параметры групп водных и переотраженных от границ волновода лучей. В качестве характеристик лучевых компонент оценивался диапазон расчетных и экспериментальных значений временных задержек, диапазоны углов выхода и длина пути различных видов лучей. Указанные расчеты выполнялись в прямом и обратном направлении для расстояния между корреспондентами информационного обмена равному 502.94 м.

Заключение Результаты натурных и вычислительных экспериментов по исследованию характеристик гидроакустического канала передачи информации организованного с применением цифровых гидроакустических модемов типа S2CR 18/34 фирмы EvoLogics (Германия) в условиях мелководья при наличии ледового покрова позволили сформулировать следующие выводы:

1. Сформированная по данным прямых измерений модель волновода с переменным по трассе рельефом и профилем ВРСЗ с достаточной степенью адекватности описывает гидроакустические условия в районе проведения исследований. Данные прямых измерений подтверждаются результатами ранее выполненных независимых исследований и расчетами, выполненными по общепринятым методикам. Результаты измерения поля скорости звука позволили выявить проявления эффекта вертикальной конвекции (апвеллинга) водных масс на исследуемой акватории.

2. Данные эксперимента и результаты моделирования подтверждают наличие в канале распространения эффекта многолучевости. Средние значения временных задержек и расстояний между корреспондентами информационного обмена полученные в ходе натурного эксперимента превышают расчетные значения аналогичных показателей для групп водных лучей.

Сопоставимые с экспериментальными данными расчетные значения соответствуют группам лучей претерпевших донно-поверхностные отражения. Различия в измеренных и расчетных оценках расстояния могут быть обусловлены как несовершенством алгоритма подавления многолучевости реализованного в гидроакустических модемах, так и точностью определения эталонного значения расстояния и требуют дополнительной экспериментальной проверки.

3. Гидроакустические модемы типа S2CR 18/34 фирмы EvoLogics (Германия) обладают широкими потенциальными возможностями и позволяют организовать устойчивый канал передачи различных видов информационных сообщений с достаточной степенью достоверности в сложных гидролого-акустических условиях при наличии многолучевости и подледном распространении. Кроме того, гидроакустические модемы при их применении в контролируемых условиях могут быть использованы и как средство проведения исследований гидролого-акустических характеристик среды.

4. Достигнутые в натурных условиях количественные показатели пропускной способности гидроакустического канала передачи информации реализованного с применением цифровых гидроакустических модемов типа S2CR 18/34 фирмы EvoLogics (Германия) позволяют существенно расширить технические возможности разрабатываемых образцов автономных средств геоэкологического мониторинга прибрежных морских акваторий и являются достаточными для технической реализации создаваемых на их основе подводных пространственно распределенных информационно-измерительных сетей.

1. Минаев Д.Д. Принципы построения региональной автоматизированной информационной системы экологического мониторинга морских акваторий с применением автономных технических средств и робототехнических комплексов // Подводные исследования и робототехника. 2011. №2(12). С. 64-68.

2. Матвиенко Ю.В., Рылов Р.Н., Буренин А.В., Войтенко Е.А., Моргунов Ю.Н.

Экспериментальные исследования особенностей подводной дальнометрии в шельфовой зоне Японского моря // Подводные исследования и робототехника. 2009. №2(8). С. 44-49.

3. Минаев Д. Д., Петухов В.И. Моделирование акустических характеристик мелководных морских акваторий по данным натурных экспериментальных исследований // Подводные исследования и робототехника. 2013. №1(15). С. 45-51.

4. Мальцев Ю.В., Минаев Д.Д. Экспериментальные исследования статистических характеристик параметров акустических сигналов в мелководных районах с применением волноводных антенн бегущей волны.//Сборник статей Проблемы и методы разработки и эксплуатации вооружения и военной техники ВМФ. Вып. 32.-Владивосток: ТОВМИ, 2001. С.91-100.

5. Минаев Д. Д., Негода В. В., Пахомов С. А. Результаты экспериментальных исследований суточной динамики акустических шумов в условиях мелководья.//Сборник статей Проблемы и методы разработки и эксплуатации вооружения и военной техники ВМФ.

Вып. 32.-Владивосток: ТОВМИ, 2001. - С.101-104.

6. S2C-AMA User Guide (version 1.2). EvoLogics GmbH, Germany. November 2010. 34 р.

7. Rodrguez О. General description of the BELLHOP ray tracing program. Signal Processing Laboratory (SiPLAB) at the Center of Technological Research (CINTAL), University of Algarve, Portugal. 2008. 37 p.

8. Rodrguez О. General description of the TRACE & TRACEO ray tracing programs. Signal Processing Laboratory (SiPLAB) at the Center of Technological Research (CINTAL), University of Algarve, Portugal. 2012. 69 p.

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С КОРОТКОЙ И ДЛИННОЙ БАЗОЙ:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Evologics GmbH, Ackerstrasse 76, 13355 Berlin Germany, tel: +49 30 31472658, Работа телеуправляемого подводного аппарата в глубокой воде или под дрейфующим льдом связанна с множеством ограничений и рисков. Поэтому использование в таких условиях автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) является предпочтительным или, в ряде случаев, единственно возможным. Часто применение АНПА предполагает наличие режима «автономности под надзором», а также возможность непосредственного управления функциями АНПА в режиме, близком к реально временному. Обеспечение этих режимов представляется возможным только за счет оснащения АНПА и средств сопровождения высокоточной системой позиционирования/навигации и высокопроизводительной системой цифровой гидроакустической связи. Статья представляет гибкое техническое решение для высокоточного позиционирования подводных абонентов цифрой гидроакустической связи, объединяющее функции ультракороткобазовой (УКБ) антенны, длиннобазовой (ДБ) антенны и высокоскоростного обмена цифровой информацией между объектом и системой позиционирования. Система позиционирования комбинирует жестко закрепленные под поверхностью воды трансиверы УКБ антенн (глубина порядка метров) и «свободные»

трансиверы ДБ антенны, свисающие с поверхности в толщу воды на кабеле (на глубину ниже сезонного термоклина, т.е. порядка сотен метров). УКБ антенна, расположенная над «свободным» трансивером отслеживает его перемещения, что позволяет учесть (скомпенсировать) случайные изменения длин базовых линий ДБ антенны и, соответственно, значительно повысить точность ДБ позиционирования транспондеров в области покрытия ДБ антенны. Каждый трансивер содержит полный набор функций высокоскоростного гидроакустического модема, что обеспечивает возможность управления АНПА на основе текущих данных позиционирования. На практике, оценки координат каждого из «свободных»

трансиверов ДБ антенны, занимающих глубины 100-150 м, выполняемые с помощью фиксированных над ними УКБ-трансиверов (под поверхностью на жестком стержне на глубине 3-5 м), имеют точность порядка 10 см. При такой точности оценки базы ДБ антенны и длине базовой линии порядка километров, ожидаемая точность позиционирования транспондеров имеет порядок 10 см. Статья представляет экспериментальные данные по всем ключевым элементами комбинированной системы.

Ключевое преимущество системы позиционирования с длинной базой состоит в высокой точности оценки координат объекта позиционирования. Стационарное размещение трансиверов ДБ антенны на дне обеспечивает высокоточную оценку трехмерных координат транспондеров, перемещающихся в толще воды. Однако, размещение ДБ антенны на дне, ее калибровка, эксплуатация и свертывание обусловлены значительными трудозатратами и дорогим материальным обеспечением [1]. Использование дрейфующих трансиверов ДБ антенны представляет собой намного менее затратную задачу, однако, обеспечиваемые точности позиционирования существенно ниже. Трансиверы на длинном кабеле могут отклоняться течениями и раскачиваться в случайном диапазоне углов, так что их взаимные положения случайным образом варьируют (рис.1). Например, при длине кабеля 150 м горизонтальные смещения трансиверов ДБ антенны под воздействием течений могут составлять десятки метров от точки входа кабеля в воду, а расстояния между трансиверами могут варьировать в диапазоне многих метров. В результате, ошибки в оценках координат объектов позиционирования могут составлять многие десятки метров, что является неприемлемым для многих прикладных задач. Создание высокоточной системы ДБ позиционирования со «свободными» трансиверами, действующей под поверхностью водоема, представляет весьма значимый интерес.

Техническое решение Решение, представленное в этой статье, появилось в ходе экспериментов по комбинированию фиксированных на жестком стержне под поверхностью льда трансиверов УКБ антенн и свешиваемых на длинном кабеле с поверхности льда трансиверов ДБ антенны (рис. 1). Каждый из трансиверов являлся полнофункциональным гидроакустическим модемом с надстройками в виде протоколов верхнего уровня, обеспечивающими функции позиционирования. Гидроакустические модемы обеспечивали высокопроизводительный обмен данными между всеми получателями/отправителями данных, включая транспондер на подводном аппарате (объекте позиционирования).

Фиксированный под поверхностью воды трансивер УКБ антенны оценивал положение соответствующего «свободного» трансивера ДБ антенны, что позволяло учесть текущие значения базовых линий ДБ антенны и таким образом добиться высокой точности определения координат транспондера на объекте позиционирования.

Рис. 1. Иллюстрация комбинированной системы УКБ и ДБ позиционирования Исполнение системы Комбинированная система УКБ и ДБ позиционирования основывалась на использовании устройств цифровой гидроакустической связи технологии S2C [2], [3] производства компании EvoLogics, Германия. Некоторые из особенностей этих устройств, использованные для создания системы, состоят в следующем:

– в способности одновременно обмениваться данными и выполнять высокоточную оценку координат удаленного источника/получателя данных;

– в наличии развитого протокола MAC-уровня, способного учитывать текущие особенности гидроакустической среды и обеспечивающего широкий набор методов доступа к каналу;

– в поддержке расширенного набора функций для реализации протоколов сетевого уровня;

– во взаимной совместимости гидроакустических модемов и широкого набора трансиверов, способных функционировать независимо или в составе комбинированной системы УКБ и ДБ позиционирования.

УКБ трансиверы представляют собой интегрированные устройства, объединяющие функции гидроакустического модема и УКБ позиционирования. Весь набор функций реализован на одном процессорном модуле и в одном электроакустическом тракте. Одни и те же сигналы используются как для передачи данных, так и для оценки координат их источника (каждый пакет данных содержит идентификатор передающего устройства). Все передаваемые данные содержат служебную информацию для поддержания соединения открытым даже в отсутствие предназначенных для передачи полезных данных.

В таком исполнении навигация подводного аппарата в масштабе времени, близком к реальному, обеспечивается, в частности, благодаря отсутствию времязатратных переключений между режимами позиционирования и передачи данных. Эта особенность позволила нивелировать один из существенных недостатков современных гибридных систем гидроакустического позиционирования и связи – недостаток, связанный с раздельным исполнением режимов функционирования устройства.

В дополнение к этому возможности реально-временного управления АНПА обеспечивались также за счет использования специальных свойств устройств технологии S2C, обеспечивающих обмен «срочными сообщениями». Срочные сообщения использовались для передачи управляющих последовательностей без прерывания и без ожидания завершения текущего потока данных. Срочные сообщения передаются поверх текущего потока как часть служебной информации, которая всегда сопровождает передаваемый кластер (последовательность пакетов) данных. Благодаря такому механизму доставки срочных сообщений гарантируется доступ управляющих данных к каналу связи за короткое детерминированное время. Благодаря этому и на основе известной оператору текущей позиции аппарата доставка на АНПА управляющих команд с использованием срочных сообщений может представлять собой средство для управления им в реальном (или близком к реальному) времени.

В следующих разделах по отдельности продемонстрированы функциональные возможности и экспериментальная производительность каждой из основных составляющих комбинированной системы УКБ и ДБ позиционирования. Для анализа производительности каждой из составляющих ниже представлены результаты экспериментов по – оценке точности УКБ позиционирования медленно движущихся транспондеров в бассейне, характеризуемом высоким уровнем реверберации;

– оценке точности воспроизведения результата УКБ позиционирования медленно движущихся транспондеров в открытой воде вблизи дна при расположении системы и объекта позиционирования в одном горизонте глубин;

– оценке точности воспроизведения результата УКБ позиционирования медленно движущихся транспондеров в открытой воде при вертикальном расположении системы и объекта позиционирования;

– оценке точности ДБ позиционирования медленно движущихся транспондеров в открытой воде при одновременном обмене цифровой информацией между системой и объектом позиционирования.

Оценка точности УКБ позиционирования медленно движущихся транспондеров в бассейне При обсуждении результатов экспериментов ниже приводятся такие понятия, как «точность» и «точность воспроизведения результата» позиционирования. При обсуждении точности рассчитывается среднеквадратическое отклонение от заранее известных координат транспондера. При обсуждении точности воспроизведения результата координаты транспондера не известны и результат позиционирования оцениваются по среднеквадратическому рассеиванию вокруг некоторого среднего.

Представленные в этой секции экспериментальные результаты позволяют установить точность такой составляющей комбинированной системы, как интегрированное устройство УКБ позиционирования и цифровой гидроакустической связи. Выполненные при этом измерения можно считать как калибровочные, и, при работе с этой системой в последующем результаты позиционирования можно считать несмещенными (когда точность воспроизведения результата позиционирования эквивалентна точности позиционирования).

В эксперименте по УКБ позиционированию медленно движущихся транспондеров в бассейне в качестве объекта позиционирования выступал транспондер на малогабаритном телеуправляемом аппарате (ТПА), который медленно перемещался в бассейне круглой формы диаметром 5.0 м и глубиной 4.5 м. Транспондер размещался в верхней части ТПА.

УКБ-трансивер размещался в центральной части бассейна на жестком стержне на глубине м. Маршрут ТПА лежал в диапазоне глубин 3.5-4.5 м.

На дне бассейна по известным координатам устанавливалась вертикальная ступенчатая конструкция, состоящая из нескольких металлический листов с множеством фигурных отверстий (Рис. 2). Известное расположение конструкции на дне и ее геометрия обеспечивали точное задание координат каждому из отверстий в толще воды.

ТПА двигался по задаваемому оператором маршруту. При подходе к каждому из отверстий ТПА фиксировался с помощью фигурного штифта, точно соответствующего его геометрической форме. Для полного прилегания к каждому из отверстий ТПА оснащался фронтальным буфером. Поскольку местные координаты размещения транспондера на ТПА заранее известны, после прилегания к каждому из отверстий трехмерные координаты расположения транспондера в толще воды были также известны. Такие условия эксперимента позволяли сравнивать координаты, выдаваемые устройством УКБ позиционирования, с координатами, которые ТПА проходил по маршруту следования от одного отверстия к другому.

Рис. 2. Стенка донной конструкции с маршруту следования ТПА от отверстия к отверстию В качестве трансивера использовалось интегрированное устройство УКБ позиционирования и цифровой гидроакустической связи, промышленная модель S2CR 40/80 USBL [4]. В качестве транспондера использовался гидроакустический модем, промышленная модель S2CR 40/80 [5]. В данном эксперименте интегрированное устройство УКБ позиционирования и цифровой гидроакустической связи выполняло только задачу позиционирования (без передачи полезных данных), в то время как гидроакустический модем выполнял только функцию транспондера (пользовательские данные не передавались).

Устройства занимали полосу частот шириной 26 кГц при центральной частоте 51 кГц.

Диаграмма направленности приемоизлучателя была конической с углом открытия градусов. Диаграмма направленности гидрофонов УКБ антенны была круговой.

Звукопоглощающие экраны на дне и стенках бассейна не использовались, но благодаря конической направленности приемоизлучателя (и вертикальном расположении оси вращения конуса) уровень отражений от стенок бассейна на входе гидроакустического тракта был невысоким (менее –10 дБ). Однако множественные донно-поверхностные отражения все же обуславливали большую протяженность и высокий уровень реверберации (порядка –2-5 дБ).

Для пересчета задержек распространения в дальность система позиционирования учитывала среднюю скорость звука в воде (вода была перемешана, а разность глубин небольшой, так что необходимость учета вариации скорости звука отсутствовала). Рис. 3 демонстрирует результаты позиционирования ТПА при его движении от отверстия к отверстию. У каждого из отверстий выполнялось приблизительно 100 измерений позиции аппарата. В целом, представленная на рис. 3 последовательность состоит из 3000 измерений.

Стандартные отклонения в оценках позиции транспондера в плоскостях XY, XZ, YZ не превышали 1.5 мм, что соответствует угловому отклонению в пределах 0,04° от ожидаемого (по априорным данным) направления на источник сигнала. В процентном отношении точность оценки позиции транспондера составляла 0,07% наклонной дальности.

Следует отметить, что, несмотря на высокий уровень реверберации в бассейне, какие либо выбросы в оценке координат транспондера отсутствовали. Это объясняется с одной стороны тем, что использование технологии непрерывного расширения спектра обеспечивает существенное снижение эффектов многолучевого распространения сигнала. С другой стороны, тем, что текущая оценка координат считалась надежной только в случае, если вся служебная или пользовательская информации в составе пакета принята успешно (т.е. циклический контроль четности принятой порции информации ошибок не обнаруживал). В случае обнаружения ошибок контроля частности текущая оценка координат обозначалась как ненадежная (в зависимости от алгоритма, она может отбрасываться или частично учитываться, например, умножаться на небольшой вес).

Следует также отметить, что, несмотря на наличие реверберации, достигнутая точность является близкой к максимальной, в частности, из-за отсутствия или пренебрежимо малого объемного рассеивания сигнала, а также отсутствия неточностей в учете профиля скорости звука по глубине. Полученное значение является важной лабораторной величиной, которая может использоваться как опорная при разработке алгоритмов обработки сигнала, позволяющих учитывать и компенсировать влияние различных эффектов гидроакустической среды в задачах практического интереса.

Оценка точности воспроизведения результата УКБ позиционирования в открытой воде вблизи дна при расположении системы и объекта позиционирования в одном горизонте В этом разделе представлены результаты работы системы УКБ позиционирования в открытой воде (Атлантический океан, к северу от Мадейры), позволяющие оценить разброс оценок позиционирования транспондера при его дрейфе в толще воды у дна на умеренном удалении от трансивера. Так же как в предыдущем эксперименте, малоразмерный ТПА служил носителем транспондера. ТПА перемещался в интервале глубин между 5000 и 5200 м на удалении до 250 м от опускаемого на кабеле модуля сопровождения (габаритного модуля сопровождения, так называемого TMS, к которому был подключен ТПА, опускаемого на кабель-тросе на рабочие на глубины с борта исследовательского судна FS Maria Merian).

В верхней части рамы TMS размещался трансивер – интегрированное устройство УКБ позиционирования и цифровой гидроакустической связи – модель S2CR 48/78 USBL [6].

Функцию транспондера выполнял гидроакустический модем, модель S2CR 48/78 [7].

В этом эксперименте, кроме позиционирования, трансивер и транспондер выполняли так же обмен полезными данными. Данные передавались в режиме срочных сообщений на фиксированной скорости связи 1 кбит/с. В ходе обмена данными, трансивер использовал каждый принимаемый пакет для оценки позиции удаленного абонента связи (отправителя).

Устройства занимали полосу частот шириной 30 кГц между 48 и 78 кГц. Диаграмма направленности приемоизлучателя была тороидальной с углом открытия в вертикальной плоскости около 80 градусов. Диаграмма направленности гидрофонов УКБ антенны была круговой. Для пересчета задержек распространения в дальность система позиционирования учитывала также только среднюю скорость звука на данном горизонте глубин (на глубинах порядка 5000 м градиент скорости звука слабовыражен, а разность по глубине между TMS и ТПА небольшая, так что необходимость учета вариации скорости звука отсутствовала).

Оценка позиции транспондера выполнялась приблизительно 1 раз в секунду.

Результаты позиционирования представлены на рис. 4 (глубина ТПА указана по отношению к глубине TMS). Как следует из рисунка, в ходе позиционирования наблюдалось умеренное рассеивание оценок позиции и отсутствие выбросов. В частности, на дистанциях около 100 м стандартное отклонение оценки позиции не превышало 8 см, а на дистанции 200 м стандартное отклонение составляло около 17 см. В соответствии с этим точность воспроизведения результата позиционирования (по стандартному отклонению) составиляла 0,085% наклонной дальности. Следует отметить, этот результат хорошо согласуется с результатом, порученным при выполнении экспериментов в бассейне, что объяснятся (и обуславливается) незначительной вариацией скорости звука в данном диапазоне глубин, а также небольшой дальностью распространения (незначительным объемным рассеванием).

Оценка точности воспроизведения результата УКБ транспондеров в открытой воде при вертикальном расположении системы и объекта позиционирования В этом разделе представлены экспериментальные результаты работы системы позиционирования в открытой воде (Атлантический океан, к северу от Мадейры), позволяющие оценить разброс оценок позиции транспондера при его спуске-подъеме и значительной дальности до трансивера. Модуль TMS опускался с борта немецкого исследовательского судна FS Maria Merian. В состав TMS включался гидроакустический модем, модель S2CR 7/17 [8], выполнявший функцию транспондера. Для отслеживания позиции транспондера под водой судно оснащалось трансивером – интегрированным устройством УКБ позиционирования и цифровой гидроакустической связи – модель S2CR 7/17 USBL [9]. Трансивер закреплялся на массивной раме в технологическом отверстии на глубине около 7 м (1 м под килем судна). Устройства занимали полосу частот шириной 10 кГц между 7 и 17 кГц. Диаграммы направленности приемоизлучателей трансивера и транспондера были полусферическими. Диаграмма направленности гидрофонов УКБ антенны была круговой. В отличие от предыдущих экспериментов фактором, осложняющим условия функционирования трансивера, являлся шум энергетической установки судна, приводов системы динамического позиционирования и движителей судна. Для обеспечения работы трансивера в этих условиях, уровень излучаемых транспондером сигналов повышался до уровней 184-185 дБ.

В этом эксперименте данные о вертикальном разрезе скорости звука отсутствовали, поэтому для пересчета задержек распространения в дальность система позиционирования учитывала среднюю для сезона скорость звука на всем диапазоне глубин. Поскольку интересовала не столько точность позиционирования, сколько точность воспроизведения оценки координат транспондера от измерения к измерению, результаты эксперимента имели достаточно высокую ценность: несмотря на то, что оценки координат являлись смещенными, порядок рассеивания этих оценок давал представление о степени ухудшения результата позиционирования, в частности, за счет влияния объемного рассеивания (предполагалось, что при дистанциях порядка километров влияние объемного рассеивания должно быть значимым). Кроме того, данные позиционирования, пусть даже смещенные, давали представление команде исследовательского судна о вращении опускаемого модуля, соответственно, и рисках повреждения (перекручивания) кабель-троса.

Так же как в предыдущем эксперименте, кроме позиционирования выполнялась также задача приема-передачи данных в режиме срочных сообщений с фиксированной скоростью связи 1 кбит/с. При спуске-подъеме TMS оценка обмен данными, и соответственно, оценка его позиции осуществлялась каждые 4 с. Результат позиционирования представлен на рис. 5.

Как следует из рисунка, выбросы отсутствуют, а разброс в оценках позиции транспондера является умеренным. В частности, на дистанциях около 1000 м стандартное отклонение оценки позиции не превышало 1.11 м, а на дистанции 2000 м стандартное отклонение составляло 2.34 м. В соответствии с этим точность воспроизведения результата позиционирования (по стандартному отклонению) составляла 0,117% наклонной дальности.

Как и ожидалось, наблюдается некоторое ухудшение точности позиционирования, предположительно под влиянием объемного рассеивания, которое становится значимым фактором при достижении больших дальностей распространения сигнала.

Рис.4. Оценка координат ТПА движущегося на Рис. 5. Оценка координат ТПА движущегося на умеренном расстоянии от УКБ транси-вера (W--E: большом расстоянии от УКБ трансивера (W--E: западзапад-восток, N--S север-юг) восток, N--S север-юг) Оценка точности ДБ позиционирования при одновременном обмене цифровой информацией между ДБ трансиверами и транспондером Для оценки точности воспроизведения результата ДБ позиционирования при одновременном обмене цифровой информацией между системой и объектом позиционирования (модель S2CR 18/34 LBL [10]) были выполнены три долгосрочных эксперимента в озере Байкал в 2010-2012 годах. В первом эксперименте два трансивера ДБ антенны разворачивались с поверхности льда и располагались на кабеле на глубине 10 м.

В качестве трансивера использовалось интегрированное устройство цифровой гидроакустической связи и ДБ позиционирования, промышленная модель S2CR 18/34 LBL Node [10]. Базовая линия имела длину 170 м.

Задача состояла в определении координат транспондера при удалении его от базовой линии на 180 м. Транспондер, промышленная модель S2CR 18/34 LBL Beacon [10] (рис.6), закреплялся на тросе лебедки, обеспечивающей его перемещение до глубины 1000м.

Система занимала полосу частот шириной 16 кГц между 18 и 34 кГц. Диаграммы направленности приемоизлучателей трансивера и транспондера были слабо направлены в вертикальной плоскости и были ненаправленными в горизонтальной плоскости. При осуществлении позиционирования трансиверы и транспондеры обменивались пакетами данных, передаваемых на фиксированной скорости 1 кбит/с. Благодаря оснащению лебедки точным счетчиком длины выданного троса глубина точки закрепления на тросе транспондера была известна с сантиметровой точностью. В условиях неподвижной воды (течением в зимнее время можно пренебречь) расстояния между точками закрепления устройств на тросе/кабелях и точками входа троса/кабелей в воду совпадали. Это позволяло использовать лазерный дальномер для измерения длины базовой линии ДБ антенны и дальностей от трансиверов антенны до транспондера. Точность измерения дальностей лазерным дальномером составляла полсантиметра. Такие условия эксперимента позволяли выполнить сравнение координат транспондера, оцениваемых системой ДБ позиционирования, с координатами транспондера, задаваемыми его механической предустановкой в толще воды. В свою очередь такое сравнение позволяло сделать заключение не только о точности воспроизведения результата, но и о точности системы ДБ позиционирования как средства измерения координат.

Для исключения влияния неточностей при измерении и учете вертикального разреза скорости звука в первой части эксперимента транспондер и трансиверы устанавливались на одну глубину (10 м). С учетом измеренной на этой глубине скорости звука, система позиционирования пересчитывала задержки распространения сигнала в дальности.

В ходе экспериментов было установлено, что «акустическая» оценка позиции транспондера всегда находилась в пятимиллиметровой окрестности позиции, задаваемой путем его механической предустановки. Следует отметить, что такая точность ДБ позиционирования должна была позволить наблюдать за вращением транспондера, установленного эксцентрично по отношению к продольной оси троса (рис. 6). Это предположение было проверено экспериментально: при разворачивании троса вокруг своей оси (с помощью прикрепленного к нему рычага), транспондер испытывал медленное вращение вокруг троса, что обнаруживалось системой ДБ позиционирования и продемонстрировано на рис. 7 (плоскость XY – проекция на плоскость горизонта). По данным рис. 7 радиус вращения составлял 12 см, что в точности соответствовало сумме радиусов транспондера и троса. Рассеивание координат вокруг окружности радиусом 12 см со стандартным отклонением 5 мм проиллюстрировало точность системы ДБ позиционирования в данных условиях среды (открытая вода, длина базы и удаления сравнимы и имеют порядок сотен метров).

Рис. 6. Транспондер, Рис. 7. Результат позиционирования транспондера при его В других экспериментах, более сложных по постановке, система позиционирования учитывала вертикальный разрез скорости звука для оценки трехмерных координат транспондера. В частности, при спуске транспондера на глубины до 1000 использовался метод расчета и учета нелинейности траекторий распространения сигнала, основанный на решении системы уравнений с граничными условиями, задаваемыми на основе упрощающих предположений о характеристиках среды распространения сигнала (опубликовано авторами в [11]). Практическое использование этого метода позволило добиться высокой точности позиционирования при невысокой сложности вычислений. В частности, при длине базовой линии от 40 до 140 м, экспериментальная точность позиционирования транспондеров, находящихся в состоянии медленных перемещений на расстояниях до 420 метров от донной антенны, имела порядок сантиметров (по среднеквадратическому отклонению).

В долговременном эксперименте 2012 года ДБ антенна S2CR 18/34 LBL использовалась для позиционирования экспериментального кластера Байкальского нейтринного телескопа НТ1000 [11]. Система позиционирования также учитывала вертикальный разрез скорости звука. При этом, для расчета нелинейности траекторий распространения сигнала использовалось упрощающее предположение о монотонности изменения глубины изолинии дальности с увеличением угла к трассе распространения сигнала и алгоритм дихотомического уточнения первоначального интервала координат в ходе следующих итераций по уточнению положения объекта позиционирования (подробности в [11]). Некоторые результаты практической работы ДБ системы позиционирования на экспериментальном кластере Байкальского нейтринного телескопа представлены на рис. 8.

Рис. 8. Результаты практической работы ДБ системы позиционирования На рис. 8а представлены результаты измерения координат (X,Y,Z) транспондера в толще воды на расстоянии 431 м от плоскости ДБ антенны. В начальной части рисунка отмечаются незначительные изменения координат транспондера (в пределах одного метра).

В дальнейшем, в течение 5 дней обнаруживаются существенные изменения координат:

смещения транспондера от устойчивого положения достигали 7 метров. На рис. 8б представлены кривые перемещения этого транспондера в плоскости (X,Y). Устойчивое положение транспондера находится в окрестности точки с координатами (104.1 м, 29.6 м). В период наибольшей динамики транспондер испытывает быстрые изменения положения с отклонениями от этой точки в восточном направлении до координат (105.5 м, 36.5 м). Размер пятна, в пределах которого мог находиться транспондер, превышал 8 метров по сечению запад-восток и 3 метров по сечению север-юг. На рис. 8в приводятся результаты измерения координат (X,Y,Z) транспондера в толще воды на расстоянии 266 м от плоскости ДБ антенны.

При устойчивом положении в окрестности точки (110 м, 30.5 м) отклонения в период наибольшей динамики в восточном направлении достигали координаты (109.3 м, 33.8 м).

Размер пятна, в пределах которого мог находиться транспондер, превышал 4 метра по сечению запад-восток и 2.7 метра по сечению север-юг. Меньший размер пятна обусловлен расположением этого транспондера на заякоренной гирлянде ниже, чем предыдущий транспондер (радиус вращения, обусловленный механическим закреплением, действительно, был меньше). На рис. 8г приводятся Y-координаты трех транспондеров, расположенных на одной гирлянде в зависимости от времени наблюдения. Как следует из рисунка, направления перемещения транспондеров на разных глубинах хорошо согласованы. Из сопоставления аналогичных кривых для транспондеров, расположенных на других гирляндах, следовала синхронность перемещений оборудования на всех гирляндах нейтринного телескопа.

Всего в 2012 году системой позиционирования было выполнено более 65. измерений местоположения каждого из объектов позиционирования, и, соответственно, проведено такое же количество сеансов цифровой гидроакустической связи между станциями и объектами позиционирования (при номинальной скорости передачи цифровой информации 1 кбит/с). Полученные результаты подтвердили высокую надежность функционирования интегрированной системы ДБ позиционированного и цифровой гидроакустической связи.

Обсуждение В ходе исследований по созданию комбинированной системы УКБ и ДБ позиционирования все его основные составляющие (УКБ трансиверы, ДБ трансиверы, гидроакустические модемы) подвергнуты тщательному тестированию в различных условиях гидроакустической среды.

Точность УКБ позиционирования, определяемая по стандартному отклонению (Drms), составила порядка 0.1% от наклонной дальности до объекта позиционирования, что обеспечивает высокие требования по отслеживанию текущих координат «свободных»

трансиверов ДБ антенны в толще воды. В частности, при заглублении (длине кабеля) ДБ трансивера порядка 100 м, точность его позиционирования с помощью приповерхностного УКБ трансивера составляет порядка 10 см. При этом, продемонстрированная точность ДБ позиционирования транспондера на расстоянии сотен метров имеет порядок миллиметров.

Ожидается, что при высокой точности дифференциального GPS, обеспечивающего геопривязку приповерхностных/подледных УКБ трансиверов, итоговая точность комбинированной системы УКБ и ДБ позиционирования будет определяется точностью УКБ трансивера и составлять порядка десяти (десятков) сантиметров.

Передача данных одновременно с точным позиционированием удаленного абонента цифровой гидроакустической связи способна обеспечить возможность управления подводным аппаратом по текущим данным позиционирования в реальном времени (или масштабе, близком к реально-временному).

Практическое применение комбинированной системы УКБ и ДБ позиционирования способно повысить точность выполнения операций АНПА, работающих на большой глубине или подо льдом в режиме «автономности под надзором», не прибегая к трудоемкому развертыванию и затратному поддержанию работоспособности ДБ антенн с донным расположением трансиверов.

Раздел благодарностей Авторы выражают благодарность Байкальской коллаборации за организацию и возможность проведения гидроакустических экспериментов на инфраструктуре нейтринного телескопа, плодотворные дискуссии и полезные практические советы.

1. Tan H.-P., Diamant R., Seah W.K.G., Waldmeyer M. (2011) A Survey of Techniques and Challenges in Underwater Localization. Elsevier Journal of Ocean Engineering.

2. Bannasch R., Kebkal K.G. (2002). Process and system form information transfer. Patent No. US 6,628,724 B2.

3. Kebkal K. and Bannasch. R. (2003). Sweep-Spread Carrier for Underwater Communication over Acoustic Channels with Strong Multipath Propagation. Journal of Acoustic Society of America, Vol.112, issue 5, pp. 2043-2052.

4. Спецификация на изделие S2CR 40/80 USBL. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www.evologics.de/en/products/USBL/s2cr_42_65_usbl.html.

5. Спецификация на изделие S2CR 40/80. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www.evologics.de/en/products/acoustics/s2cr_42_65.html.

6. Спецификация на изделие S2CR 48/78 USBL. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www.evologics.de/en/products/USBL/s2cr_48_78_usbl.html.

7. Спецификация на изделие S2CR 48/78. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www.evologics.de/en/products/acoustics/s2cr_48_78.html.

8. Спецификация на изделие S2CR 7/17. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www.evologics.de/en/products/acoustics/s2cr_7_17.html 9. Спецификация на изделие S2CR 7/17 USBL. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www.evologics.de/en/products/USBL/s2cr_7_17_usbl.html.

10. Спецификация на изделие S2CR 18/34 LBL. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www.evologics.de/en/products/LBL/index.html.

11. Аврорин и др. Гидроакустическая система позиционирования экспериментального кластера нейтринного телескопа масштаба кубического километра на озере Байкал // Приборы и техника эксперимента, 2013, № 4, с. 87–97.

ИНТЕГРИРОВАННАЯ ИМИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЕЁ АБОНЕНТОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ И ТЕСТИРОВАНИЯ

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

EvoLogics GmbH, Ackerstrasse 76, 13355 Berlin, Germany Поскольку развертывание/свертывание и поддержание функционирования множества гидроакустических устройств связано с большими затратами времени и материальных средств, разработку и внедрение специализированных/пользовательских протоколов верхнего уровня целесообразно осуществлять с помощью развитых средств эмуляции функций гидроакустического устройства и имитации основных эффектов среды распространения гидроакустического сигнала. Статья описывает функциональные возможности реальновременного эмулятора интегрированного устройства цифровой гидроакустической связи и ультракороткобазового позиционирования. Основное внимание уделено описанию эмулятора устройства в части цифровой гидроакустической связи (гидроакустического модема).

Эмулятор обеспечивает полную поддержку всех функций канального уровня модема и ультракороткобазового позиционирования, а также включает в себя упрощенный имитатор физического уровня, обеспечивающий учет основных эффектов среды распространения сигнала, в частности, задержек распространения сигнала для заданной пользователем топологии источников/получателей, эффект многолучевого распространения, интенсивность случайных коллизий пакетов данных при их приеме, позволяющий задавать интенсивность сбоев синхронизации при приеме пакетов, интенсивности битовых и пакетных ошибок, учитывать траекторию и оценивать доплеровские сдвиги сигналов при движении источника/получателя данных. Таким образом, эмулятор заменяет физическое устройство на этапе разработки пользовательских сценариев и разработки и тестировании протоколов и приложений верхнего уровня. Кроме того, эмулятор обеспечивает полнофункциональную поддержку механизма межуровневой синхронизации устройства, позволяющий разрабатывать пользовательские протоколы позиционирования удаленных абонентов связи, а также гибридные протоколы позиционирования и связи, управляемые протоколами верхнего уровня.

Введение Современные гидроакустические модемы являются сложными устройствами, предназначенными для решения широкого круга практических задач. Часто, кроме приемоизлучателя, они также оснащаются решеткой гидрофонов, позволяющей выполнять ультракороткобазовое позиционирование удаленного абонента связи, что существенно упрощает решение задач по поддержанию формации и координированию маневров группы автономных необитаемых подводных аппаратов, точному позиционированию узлов распределенной гидроакустической сети. Большинство из этих приложений являются уникальными, и каждое требует разработки сложного программного обеспечения с внедрением пользовательских протоколов для обмена данными между всеми ее отправителями-получателями. Программное обеспечение должно отвечать строгим требования по надежности и должно подвергаться всестороннему долгосрочному тестированию.

Существующие имитаторы сетей, например, NS2Miracle [1], являются полезными инструментами для исследований и тренировок, но они не являются достаточными для полноценной разработки программного обеспечения, в том числе проектирования алгоритмов, моделирования, верификации и тестирования целевой системы. Существенный шаг вперед был сделан с появлением нескольких расширений имитаторов сети, таких как Sunset [2] и Desert [3], которые позволяют подключение, не виртуальных, а физических устройств (гидроакустических модемов) в рамках исследовательских стендов, обеспечивая замену процессов имитации физического и канального уровней гидроакустических модемов, на процессы, протекающие при функционировании физического устройства. Тем не менее, такой подход имеет существенные недостатки. Многократное развертывание/свертывание оборудования в море в масштабе практического интереса для разработки пользовательских сценариев, моделирования и верификации моделей, первичного тестирования разработанных протоколов, – связано со множеством ограничений, в частности, по погоде, а также со множеством трудовых и материальных затрат. Кроме того, в существующих имитаторах сетей, в частности, NS2Miracle, отсутствует поддержка физического и канального уровня протоколов коммерчески доступных гидроакустических модемов. Это обуславливает необходимость разработки пользователем различных программ для работы на имитаторе на физическом устройстве: разница в интерфейсах и форматах на имитаторе и в аппаратных средствах обуславливают существенные различия в реализациях одного и того же протокола верхнего уровня.

В этой статье представлена разработка реально-временного эмулятора интегрированного устройства цифровой гидроакустической связи и ультракороткобазового позиционирования серии S2CR компании EvoLogics. Эмулятор обеспечивает полнофункциональную эмуляцию канального уровня устройства серии S2CR и включает в себя упрощенный имитатор физического уровня, обеспечивающий учет основных эффектов среды распространения сигнала, в частности, задержек распространения сигнала для заданной пользователем топологии источников/получателей, эффект многолучевого распространения, интенсивность случайных коллизий пакетов данных при их приеме, позволяющий задавать интенсивность сбоев синхронизации при приеме пакетов, интенсивности битовых и пакетных ошибок, учитывать траекторию и оценивать доплеровские сдвиги сигналов при движении источника/получателя данных.Эмулятор способен полностью заменить набор физических устройств при разработке, верификации и тестировании пользовательских сценариев, например, может служить в качестве автономного решения для разработки и проверки пользовательских протоколов сетевого уровня. Эмулятор полностью поддерживает механизмы межуровневой синхронизации, реализованые в физических устройствах серии S2CR, и, таким образом, позволяет разрабатывать пользовательские протоколы позиционирования, гибридные протоколы обмена данными и позиционирования участников сети, управляемые протоколами верхнего уровня.

В следующих разделах представлены сведения о возможностях использования пользовательских программ, разработанных с помощью эмулятора, на реальном аппаратном оборудовании – гидроакустических модемах. Статья организована следующим образом.

Раздел II описывает стек протоколов устройств серии S2CR. В разделе III представлена концепция эмулятора. В разделе IV рассмотрены практические вопросы: от моделирования пользовательских сценариев доморских испытаний. Раздел V описывает практический опыт применения эмулятора. В разделе VI изложены планы по его развитию.

Cтек протоколов гидроакустических модемов серии S2CR Гидроакустические модемы серии S2CR компании EvoLogicsGmbH содержат следующие основные компоненты: гидроакустический приемоизлучатель, силовой модуль (предусилитель и усилитель мощности), процессорный модуль, антенна с ультракороткой базой (опция), модуль «побудки» электроники модема – WakeUp (опция).

Физические характеристики приемоизлучателя определяют частотный диапазон и тип диаграммы направленности гидроакустического модема, и соответственно, особенности применения, для каждого их которых может быть рекомендована та или иная модель.

Гидроакустический модем содержит предусилитель и усилитель мощности, тщательно согласованные с характеристиками приемоизлучателя. Необязательный модуль ультракороткобазовой антенны представляет собой решетку из пяти гидрофонов, расположенных в одном корпусе с приемоизлучателем, а также пятиканальный предусилитель для гидрофонов антенны. Модуль «побудки» электроники модема – WakeUpявляется дополнительным электронным модулем, позволяющий оптимизировать энергопотребление. При наличии этого модуля вся электроника модема, кроме модуля WakeUp, отключена от источника питания, и только после обнаружения электронного (со стороны аппаратного интерфейса) или гидроакустического сигнала «побудки», электроника подключается к источнику питания и остается во включенном состоянии на период обмена данными, после чего снова выключается.

Процессорный модуль, состоит из АЦП, ЦАП, сигнального процессора и ПЛИСа, которые реализуют протокол физического уровня (далее по тексту – S2CPhy), а также двух дополнительных процессоров, реализующие протокол канального уровня D-МАС. Оба протокола описаны в разделах ниже.

Протокол физического уровня S2CPhy На физическом уровне реализован запатентованный метод модуляции сигнала, состоящий в непрерывном расширении спектра фазоманипулированного сигнала – SweepSpreadCarrier (S2C). Метод основан на предположении, что в гидроакустическом канале поступающий на прием сигнал хорошо описывается суммой множества лучевых компонентов со случайными амплитудами и фазами и профиль интенсивности многолучевого распространения является дискретным. Для таких условий наиболее перспективный подход к формированию сигнала связи состоит в расширении его спектра в широком диапазоне частот. Сигнал с расширением спектра характеризуется автокорреляционным откликом малой длительности. Причем, чем больше расширение сигнала, тем короче отклик. После распространения в гидроакустическом канале принимаемый сигнал представляет собой сумму множества задержанных лучей и на выходе согласованного фильтра может быть представлен в виде ряда смещенных на различное время корреляционных откликов. Для сигналов с большим расширением спектра, отклики могут быть изолированы и, благодаря этому, искажения, связанные с взаимодействием лучей, подавлены. В частности, фазовый шум изолированного луча может быть существенно ослаблен. В идеализированном случае искажения сигнала равны искажениям (одного единственного) изолированного луча, которые обуславливаются только шумом окружающей среды и допплеровским сдвигом (т.е. не спектром допплеровских частот, как в других методах, а одной единственной допплеровской частотой, ассоциированной с одним единственным путем распространения сигнала).

В технологии S2C используется непрерывное изменение несущей частоты сигнала, при этом информация кодируется путем дискретной манипуляции одного или нескольких параметров такой несущей. В отличие от сигналов, которые используются сегодня в цифровой ГА связи, сигнал, формируемый в соответствии с этой технологией, содержит два уровня модуляции: один – внутренний – для непрерывного изменения частоты несущей (аналоговая модуляция), второй – внешний – для задания информационного содержания сигнала (дискретная манипуляция). При ширине полосы от единиц до десятков кГц длительность такого сигнала может составлять сотни мкс, а скорость передачи – от единиц до десятков кбит/с. Не смотря на такую высокую скорость передачи приемник обычно способен успешно восстановить передаваемую информацию: вследствие непрерывной развертки несущей мгновенные частоты задержанных лучевых компонентов принимаемого сигнала смещены по отношению к мгновенным частотам уже поступивших лучей.

Вследствие этого частотно-селективные искажения принимаемого сигнала ослаблены. Это обуславливает более высокую достоверность, скорость и частотную эффективность передачи данных. Защищенность от помех (вследствие ослабления влияния задержанных лучей) позволяет также отказаться от протяженных антенн (формирователей диаграммы), что обуславливает снижение энергозатрат и габаритов приемо-передающих устройств.

Основныепроцедуры, отличающие технологию S2C от других, осуществляются на физическом уровне –S2CPhy. Протоколы физического уровня реализованы на сигнальном процессоре и процессорной матрице ПЛИС и выполняют следующие функции:

1) оценку характеристик гидроакустического канала:

– построение профиля интенсивности многолучевого распространения (оценки интенсивностей и избыточных задержек распространения лучей);

– выбор наиболее энерговесомого луча для синхронизации с ним приемника;

– определение задержки распространения и доплеровского сдвига наиболее энерговесомого луча;

2) кадровую и символьную синхронизацию:

– оценку времени начала и завершения пакета данных;

– оценку времени поступления каждого из сигналов последовательности (с учетом доплеровского сдвига);

3) модуляцию:

– форматирование передаваемых данных (преобразования последовательности байт в последовательность слов в соответствии с кратностью манипуляции, в частности, преобразования в последовательность битовых пар);

– задание формы сигнала в соответствии с выбранным способом модуляции (в частности, двукратной относительной фазовой манипуляции);

– задание формы сигнала в соответствии с формой развертки несущей.

4) демодуляцию:

– согласованную синхронной обработки принимаемых сигналов с синфазной и квадратурной составляющими опорного сигнала;

– оценку комплексной огибающей принимаемого сигнала;

– оценку дискретного значения сигнала;

– определения битовой пары, соответствующей дискретному значению фазы принятого сигнала.

5) позиционирование:

– оценку импульсного отклика канала для выбора многолучевого компонента, соответствующего кратчайшему пути распространения сигнала;

– определение разницы во времени между фронтами гидроакустического сигнала, поступающего на гидрофоны ультракороткобазовой антенны.

Протокол канального уровня D-МАС Протокол канального уровня, называемыйD-МАС, основан на множестве разнородных алгоритмов доставки данных, реализованных в гидроакустических модемах технологии S2C. В соответствии с новейшим протоколом канального уровня, поддерживается обмен двумя существенно различными типами данных: пакетных данных и, так называемых, срочных сообщений [4].

Пакетные данные. При установлении соединения для доставки пакетных данных требуется оценка параметров гидроакустического канала. Как описано в [5], алгоритм доставки данных решает задачу оптимизации параметров передаваемого сигнала для данных условий канала, непрерывно адаптируя скорость передачи данных до максимально возможного значения при заданной пользователем допустимой интенсивности битовой ошибки. Все данные, получаемые от источника в буфер динамически разбиваются на меньшие по размеру пакеты (в соответствии с текущими характеристиками канала). На стороне приемника соответствующий алгоритм собирает пакеты, восстанавливает порядок их следования и посылает принятые данные получателю в исходном формате.

Срочные сообщения. Для доставки срочных сообщений установление соединения не требуется. Для передачи коротких срочных сообщений используется фиксированная скорость передачи данных (относительно низкая и приемлемая для широкого набора характеристик гидроакустического канала [4]).Несмотря на сравнительно невысокую скорость передачи, устранение необходимости устанавливать сообщение сильно минимизирует время доставки короткого сообщения. Доставка срочного сообщениями не прерывает текущий процесс пакетной передачи данных, так как срочные сообщения доставляются в составе (как часть) служебного сообщения, сопровождающего каждую пачку пакетов. Срочное сообщение может иметь длину O(102) бит.

При выборе фиксированной скорости передачи данных выполнялся поиск компромисса между следующими противоречиями. С одной стороны, требование достижения низкой вероятности битовой ошибки обуславливает снижение скорости передачи данных. С другой стороны, продолжительность сообщения должна быть меньше, чем время когерентности канала [6]. Таким образом, скорость передачи данных должна быть все еще сравнительно высокой, чтобы сообщение не превышало временных ограничений накладываемых характеристиками канала. В связи с этом, на основе результатов большого множества испытаний, протокола физического уровня, реализованный в устройствах технологии S2C [7], обеспечивает надежную передачу срочных сообщений со скоростью кбит/с. (Такая скорость, оказывается также оправданной, например, при работе в сложных гидроакустических каналах с высокой динамикой характеристик, в частности, при осуществлении цифровой связив мелководных водоемах между движущимися узлами гидроакустической сети).

На канальном уровне время доставки короткого сообщения может сокращаться, если отказаться от таких время затратных процедур, как «рукопожатие» и адаптация сигнала к условиях среды распространения, и если вести передачу на сравнительно небольшой фиксированной скорости связи так, чтобы вероятность появления неисправимых битовых ошибок оставалась бы на пренебрежимо малой (эта мера снизит вероятность потерь времени на повторную пересылку поврежденных сообщений).Срочные сообщения могут быть классифицированы в соответствии с типом адресации, наличием подтверждения доставки и требованием по синхронизации передачи. Таблица I содержит их классификацию.

Таблица 1. Классификация срочных сообщений В отсутствие текущего обмена пакетными данными между узлами гидроакустический сети асинхронные срочные сообщения доставляются на основе схемы, подобной схеме ALOHA. Во время обмена пакетными данными между узлами сети асинхронные срочные сообщения могут доставляться как часть служебного сообщения.

Управление доступом к среде для синхронных срочных сообщений должно быть реализовано протоколом верхнего уровня. Для выполнения этой задачи, D-MAC протокол реализует пользовательский интерфейс для синхронизации с физическим уровнем, что позволяет протоколам верхнего уровня указывать на время передачи синхронного срочного сообщения, а также получать сообщение о времени поступления такого сообщения в приемный тракт. Синхронные срочные сообщения не могут передаваться при обмене пакетными данными.

Концепция эмулятора устройства цифровой гидроакустической связи и позиционирования Основной целью эмулятора модема является сведение к минимуму затрат на разработку пользовательских протоколов верхнего уровня, а также упрощение и ускорение процесса интеграции гидроакустических модемов с разнообразными источниками/получателями данных.

Основное внимание при конструировании эмулятора уделялось обеспечению возможности переноса разработанного на нем приложения на реальное физическое устройство без какого-либо изменения кода. Это обстоятельство определяло следующие требования к создаваемому эмулятору:

– реально-временную эмуляцию большого числа узлов гидроакустической сети;

– идентичность исходного кода, как для эмулятора, так и для «прошивки» на физическом устройстве;

– одинаковый набор команд для эмулятора и физического устройства;

– возможность удаленного доступа к эмулятору через Интернет.

Требование к обеспечению режима реального времени определилось непосредственно из основной цели создания эмулятора. Временные диаграммы работы на эмуляторе и на физическом устройстве должны были точно совпадать для обеспечения одинаковости работы протоколов верхнего уровня как на эмуляторе, так и на модеме. Следует принять во внимание, что протоколы верхнего уровня могут использовать функции модема, как для обмена данными, так и измерения задержек распространения сигнала, и соответственно решения задач позиционирования параллельно с обменом данными или в его отсутствие.

«Прошивка» модема постоянно развивается с увеличением числа задач по интеграции гидроакустических модемов с внешними сенсорами и системами, ассортимент которых быстро растет. Стек протоколов канального уровня представляет собой тот слой, который претерпевает наибольшее число изменений, и является наиболее "видимым" для протоколов верхнего уровня.

Для обеспечения требования по идентичности исходного кода, запускаемого на эмуляторе и модеме, эффективный подход к созданию эмулятора состоял в выделении платформенно-зависимой части кода в компактный драйвер, реализованный в двух вариантах,– один для прошивки модема, а другой для использования в эмуляторе. Следует отметить, что такой подход к созданию эмулятора также гарантирует идентичность набора управляющих команд, что для создания протоколов верхнего уровня делает неотличимым работу с эмулятором от работы с реальным модемом.

Множество экземпляров эмулятора гидроакустического модема может быть сконфигурировано и одновременно запущено на сервере производителя, например, для формирования сети. Каждый модем может быть доступен через TCP/IP сокет, что обеспечивает удаленный доступ пользователя ко всем ее элементам. Такой подход обеспечивает возможность гибкого обновления эмулятора и делает использование эмулятора независимым от платформы: пользователю не требуется никакого оборудования для установки и запуска эмулятора.

В соответствии с целями конструирования эмулятора, его основными составляющими должны быть: 1) модуль канального уровня, 2) модуль управления обменом данными между канальным и физическим уровнями, 3) имитатор физического уровня и 4) имитатор гидроакустического канала.

Как упоминалось выше, как эмулятор, так и реальный гидроакустический модем, использует тот же самый исходный код протокола канального уровня, скомпилированный для целевой платформы. Поддерживаемыми платформами являются ARM,x86, x86_64.Такой подход экономит время и усилия, затрачиваемые на поддержку и развитие эмулятора, обеспечивает полную совместимость протоколов канального уровня эмулятора и реального модема, сокращает время интеграции модемов с сенсорными системами или достижения целей научно-исследовательских проектов, сокращает путь от моделирования до окончательных морских испытаний. Межуровневый интерфейс между канальным и физическим уровнями обеспечивается драйвером ядра Linux, реализующим платформеннозависимый код, специфичный для аппаратной части гидроакустического модема. Этот код обеспечивает низкоуровневый доступ к интерфейсу обмена данными канального и физического уровней. В эмуляторе, этот драйвер перенаправляет запросы протокола канального уровня в пользовательское пространство имитатора физического уровня и от имитатора назад протоколу канального уровня. Такое исполнение с разделением на платформенно-зависимый код и платформенно-независимый (POSIX-совместимый)код обеспечивает возможность работы одного и того же кода на платформе эмулятора и на платформе реального гидроакустического модема. Влияние гидроакустической среды имитируется ответами на запросы протокола канального уровня в соответствии со спецификацией на межуровневый интерфейс. Пользовательскими параметрами работы имитатора являются, в частности, трехмерные координаты каждого из модемов, а также вероятности битовых ошибок при обмене данными между ними. Имитатор направляет данные, предназначенные для передачи, диспетчеру, который начинает процесс обмена данными между эмулируемыми модемами. Имитатор расставляет метки времени на каждый из передаваемых пакетов координаты отправителя. После поступления данных от диспетчера имитатор физического уровня имитирует задержку распространения сигнала, удерживая пакет в очереди на передачу в течение тайм-аута, соответствующего дальности распространения сигнала между координатами эмулируемых модемов, а также детектирует коллизии, забраковывая соответствующие пакеты данных (считая их неисправимо поврежденными). Кроме осредненной по глубине скорости звука, эмулятор предполагает возможность задания вертикального разреза скорости звука, обеспечивая таким образом возможность разработки и тестирования пользовательских приложений, способных учитывать разрезы скорости звука, например, для повышения точности позиционирования удаленных абонентов связи. Последняя составляющая – имитатор гидроакустического канала –представляет собой диспетчер пакетов канального уровня. Основная функция этой составляющей состоит в получении пакетов от протокола канального уровня и их перенаправление к имитатору/имитаторам физического уровня, подключенным к диспетчеру.

От эмуляции к морским испытаниям В большинстве публикаций по протоколам цифровой связи, разработанным для гидроакустических сенсорных сетей, экспериментальные результаты были получены на широко известных имитаторах сетей NS2 и NS3. Результаты же, получаемые в ходе работ в реальной гидроакустической среде, например, в озере или в море, являются редкими исключениями. Одним из важнейших препятствий для проведения физических экспериментов является их высокая стоимость, в частности стоимость подводного оборудования и стоимость работы обеспечивающего судна. Кроме этого, есть также другой сдерживающий фактор, а именно существенное различие между протоколами, создаваемыми для моделирования, и протоколами, создаваемыми для физических экспериментов.

Большой шаг вперед для перехода от моделирования к физическим экспериментам был сделан с выпуском интегрированных сред, реализующих протоколы сетевого уровня, в частности, недавних открытых релизовSunset иDesert, основанных на расширении NS2Miricle [1], уже способных к работе с физическим оборудованием. Однако, оказалось, что даже с использованием этих релизов реалистичным является выполнение экспериментов все еще только в стендовых условиях. Проведение физических испытаний в условиях моря является чрезмерно трудоемкой и затратной задачей. В особенности, с ростом числа узлов гидроакустической сети, время на их развертывание и свертывание на большом пространстве, а также доступ к каждому из устройств для выполнения всевозможных настроек, занимает основную часть времени, обычно отводимую на эксперименты, так, что на выполнение собственно задач по разработке пользовательских приложений времени не остается.

Таким образом обнаружился серьезный недостаток интегрированных сред, реализующих протоколы сетевого уровня, состоящий в отсутствии возможности подключения к ним, кроме физического устройства, также эмулятора полнофункционального гидроакустического модема.

При подключении такого эмулятора к интегрированной среде, реализующей протоколов сетевого уровня, устраняется необходимость трудоемкого развертывания физических устройств в реальной среде, по крайней мере, на начальных этапах разработки и тестирования пользовательских приложений, а количество и масштабы возможных тестовых сценариев может увеличиваться до произвольных размеров. В частности:

– эмулятор позволяет задавать произвольные расстояния и, соответственно, задержки распространения между узлами гидроакустической сети (что является достаточно сложным при развертывании реальных модемов на сравнительно больших расстояниях– расстояниях наибольшего практического интереса);

– эмулятор поддерживает в реальном времени тестирование большого числа гидроакустических акустических модемов – узлов гидроакустической сети – за один раз, в то время, как уже само приобретение за один раз десятков модемов, аккумуляторов, буем, якорных цепей и других аксессуаров, представляется непозволительной роскошью для большинства организаций – разработчиков сетевых протокол и других пользовательских приложений;

– эмулятор полностью поддерживает межуровневый интерфейс модемов и межуровневые механизмы синхронизации, необходимые для реализации пользовательских протоколов позиционирования, таким образом, существенно снижая трудозатраты для разработки и тестирования реальных приложений на различных этапах работы;

– имитатор физического уровня обеспечивает обнаружение коллизий, задание пользователем вероятностей ошибки демодуляции и ошибок синхронизации, позволяет тестировать приложения и протоколы верхнего уровняв различных условиях эксплуатации и отлаживать программное обеспечение без привлечения дорогостоящих гидроакустических устройств и другого подводного оборудования.

Следующим шагом, упрощающим путь от моделирования до морских испытаний, стал выпуск специальной версии гидроакустических модемов белой линии (WiteLineScienceEdition). Они предоставляют пользователю специальную «прошивку» с размещением открытого для пользователя экспериментального пространства („sandbox), позволяющего пользовательские запускать прямо в процессорном модуле модема собственные приложения и протоколы верхнего уровня. В экспериментальном пространстве могут запускаться скрипты TCL/Expect, например, для быстрого прототипирования тестовых сценариев и приложений, а также приложения, написанные в C/C++, или протоколы, написанные в рамках интегрированных сред, реализующих протоколы сетевого уровня, в частности, Sunset иDesert.

Опыт использования Эмулятор гидроакустического модема серии S2CR подвергался бета-тестированию на протяжении двух лет. Различные университетские группы получали доступ к эмулятору для разработки и отладки протоколов верхнего уровня и подготовки к совместным экспериментам. Кроме того, коммерческие заказчики приобретали доступ к эмулятору для ознакомления с интерфейсами и функциями гидроакустических модемов и разработки скриптов, позволяющих интегрировать модемы с их сенсорными системами задолго до поставки физических устройств.

В августе 2012 года авторы статьи провели ряд совместные испытаний с группой SIGNET из университета Падуи (Италия).Целью исследования была проверка динамического протокола маршрутизацииSUN, разработанного группой SIGNET специально для гидроакустических сенсорных сетей и представленного в работе [8]. В ходе подготовки морских испытаний группе предоставлялся доступ к эмулятору гидроакустического модема.

Посредством удаленного доступа они использовали его для отладки и тестирования протокола SUNв рамках интегрированной среды, реализующей протоколы сетевого уровня, NS-Miricle. Благодаря предварительной отладке программного обеспечения на эмуляторе, непосредственная подготовка и переход к морским экспериментам с использованием физических устройств пошли быстро, что обеспечило возможность исследования большого набора пользовательских сценариев в различных условиях гидроакустического канала [8].

В течение экспериментов, группа участников подтвердили практичность применение эмулятора, и сделали следующие выводы [9]:

– эмулятор представляет собой средство обучения, так как он позволяет получить опыт работы с обширным набором AT команд гидроакустических модемов серии S2CR;