מבוא ל-Bele Positioning

החיפוש אחר הדיוק מתחת לגלים הוביל להתקדמות יוצאת דופן בטכנולוגיות מיקום תת-ימיות.בניגוד לסביבות ארציות או אוויריות שבהן מערכות לוויין ניווט גלובליות (GNSS) מספקות נתונים למיקום בכל מקום, האוקיינוס מציג מחסום עצום לסימנים אלקטרומגנטיים.מים סופגים מים ומתפזרים גלי רדיו, מה שהופך את המיקום מבוסס לווייני בלתי אפשרי מעבר לשכבה הקרובה.

מיקום תת-ימי הוא המדע של קביעת המיקום המדויק של חיישנים, כלי רכב, מבני תת-ימיים וציוד במרחב תלת-ממדי מתחת לפני פני המים.יישומים שלה משתרעים על יצירת ⁇ אוויריים המבטיחים ניווט בטוח להובלת כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) באמצעות תעלות עמוקות-ים.דיוק של מערכות אלה משפיע ישירות על האמינות הנתונים ה הידרוגרפיים, אשר בתורם השפעות על בטיחות ימיות, חיפוש, מעקב, סביבתי, פיקוח מדעי, פיקוח והבנת ים, מדעי, והבנת ים.

האתגרים הייחודיים של התחום התת-ימי – העצמה של תפוצה, ריבוי פרופילים, מהירות הקול המשתנה, והעדר אזכורים לוויין בזמן אמת – דרישה לחבילה של טכנולוגיות מיוחדות.חידושים אחרונים שיפרו באופן דרמטי את הדיוק, האמינות והגמישות התפעולית של המערכות הללו, ומאפשרים הידרוגרפים למפות את קרקעית הים עם פרטים חסרי תקדים.

התפתחות של תת-קרקעית

מיקום תת-ימי התפתח ממגדלות אקוסטיות גסות ועד מערכות מרובות-רגישות מתוחכמות של שיטות מוקדמות באמצע המאה ה-20, שהתבססו על רצף אקוסטי פשוט – מזרמים שהוצבו במקומות ידועים אפשרו לכלי שיט לזרז את עמדתו ביחס לנקודות הקבועות הללו.מערכות אלה, הידועות כקווי בסיס ארוכים (LBL), המחייבים פריסת מערךים של פסטורנטים על קרקעית הים, תהליך ארוך-זמני של דיוק, אך בעל יכולת.

בשנות ה-70 וה-80 ראו את הפיתוח של קו בסיס קצר (SBL) ומערכות אולטרה-בסיס קצרות (USBL) שטבעו אלמנטים הידרופוניים מרובים על כלי משטח כדי לחדד את הנושא ואת טווח של תת-קרקעית transponder. אלה הפחיתו את הצורך במערך קרקעי, אך הציגו שגיאות זוויתיות שפורטו במעמקים גדולים יותר.

מערכות ניווט אינפורמטיביות (INS), שפותחו במקור עבור יישומי אווירוקל, הותאמו לשימוש תת-ימי בסוף המאה ה-20.מערכות אלה משתמשות ב-Accelerometers ו-gyroscopes כדי לעקוב אחר תנועה יחסית למצב ראשוני, אך הן סובלות מסחף מתחת למים לאורך זמן.השילוב של INS עם עדכונים אקוסטיים ו-Dopplerמהירויות (DVLs) – אשר מודד מהירות קרקע באמצעות מהירות דופאט-ידי חיישנים אקוסטיים-ידי מערכת ניווט היברידית-ידית-ידי חיישנים קצר-ידי נוירונים, אשר הפכה ל-טווח קצר-ידי נוירונים, אשר הפכה ל-ידי נוירונים של נוירונים, אשר משלבת של נוירונים, עם נוירונים, עם נוירונים, עם פתורים של פתורים של נוירונים, עם נוירונים, עם נוירונים, עם נוירונים, עם נוירונים, אשר ניתן לשלב את ה-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת ה-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת ה-ידי מערכת אלקטרו-ידי מערכת ניקוי אקוסטית של נוירונים של נוירונים של נוירונים של מחסנים של פתור

לאחרונה, טכנולוגיות מיקום אופטיות הופיעו עבור יישומים לטווח קצר, גבוה מראש.מערכות אלה להשתמש לייזרים או LEDs ומצלמות כדי להשיג דיוק ברמה של מילימטר בסביבות מבוקרות, כגון מעוגן כלי רכב תת-ימי או בדיקה מבנית.בינתיים, מחקר לתוך חיישני הקוונטים והבטחות למידת מכונה לדחוף את הגבולות של מה אפשרי, פוטנציאל להשיג בזמן אמת, ללא תשתיות אקוסטיות.

טכנולוגיות Core

מערכות מיקום אקוסטיות

מיקום אקוסטי נשאר השיטה הנפוצה ביותר עבור קביעת עמדות תת-ימיות על פני טווחים ממרחק קילומטרים. המערכות האלה מודדות את זמן הטיסה של הדופקים הקוליים בין נקודות ההתייחסות הידועות למטרה ניידת, המרת זמן למרחק באמצעות מהירות הקול במים.הדיוק של מערכות אקוסטיות תלוי בהסגרה זהירה, ידע של פרופיל מהירות הקול, וגיאומטריה של המערך.

בסיס ארוך (LBL)

מערכות LBL לפרוס שלושה או יותר טרמפיסטים אקוסטיים על קרקעית הים במערך קבוע. A או כלי רכב תת-ימי חוקר את הטראנסופוניים האלה, ועל ידי מדידה של זמני נסיעות עגולים, הוא מחשב את המיקום שלו ביחס למערך.LBL מציע את הדיוק הגבוה ביותר - לעתים קרובות יותר טוב מ 5 ס"מ - בגלל הגיאומטריה נוחה ואדום עם זאת, פריסה, קליטה, ממושכות, ממושכות, ממושכות, מערכי מזג אוויר, ומגביל את הטמפרטורות, כמו גם את הטמפרטורות ארוכות, או ממושכות, כמו ים, כמו ים, או ממושכות, כמו ים, כמו ים, מטווח ארוך, או מטווח ארוך, כמו ים, או מטווח ארוך, או מטווח ארוך, או מטווח גבוה, או מטווח ארוך, כמו ים, כמו ים, או טמפרטורות, או ים, כמו ים, כמו ים, כמו ים, כמו ים, או ים, כמו ים, 000 טמפרטורות גבוהות יותר, 000 ים, 000 ים, 000 ים, כמו ים, 000 טמפרטורות גבוהות יותר, 000 טמפרטורות גבוהות יותר, 000 טמפרטורות גבוהות יותר, 000 ים,

בסיס קצר (SBL) ו- Ultra- Short Baseline (USBL)

מערכות SBL משתמשות בסיס של כמה מטרים בין הידרופונים על כלי משטח.על ידי מדידה של ההבדל בשלב של האות האקוסי שמגיע בכל הידרופוניה, המערכת מצמידת את הנושא ליעד תת-ימי.מערכות USBL לארוז אלמנטים הידרופוניים מרובים לתוך קומפקטי יחיד, בדרך כלל שוכן יחידת קירור או hull-ed.

מערכות סינתטיות ומופנמות

טכניקות בסיס סינתטי משלבות מדידות אקוסטיות מרובות לאורך זמן כדי לשפר את הערכות המיקום, לעתים קרובות בשימוש בשילוב עם ניווט אינרטי. inverted USBL (iUSBL) מעמיד את הטרצ'ר על הרכב התת-ימי ואת מערך הטראנסופוניים על פני השטח, ניתוק הגיאומטריה הקונבנציונאלית. גישה זו מועילה במיוחד עבור כלי רכב אוטונומיים כי צריך לדעת את המיקום שלהם ללא מצופה.

מערכות ניווט לא רצויות (INS)

INS משתמש ב-Accelerometers ו-gyroscopes כדי למדוד תאוצה ליניארית ומהירות זוויתית, שילוב המדידות האלה למהירות מקבילה לנקודת התחלה ידועה. כי כל החיישנים הלא-מחדשים מפגינים הטיה, השגיאה המיקום גדלה עם הזמן - תופעה הנקראת סחף.בסביבות תת-ימיות, שם GPS לתקן אינם זמינים, לבדם יהפוך את המיקום בתוך דקות חסרות תועלת.

חיישנים Fusion עם Doppler Velocity Log (DVL)

כדי להפחית את הסחף, מערכות אינרטיות מתמזגות עם DVLs המדידה את מהירות הרכב ביחס לקרקעית הים (או עמודה מים) באמצעות שינוי דופלר של דבורים אקוסטיות. A טיפוסי DVL משדר ארבעה דבורים אקוסטיות בתצורת Janus, והמהירות שנקבעה מהשלב בין beams היא מדויקת ל- 0.2-0 של מהירות של האכלה ו-DNS ל-DVcc של רזולוציה של נתונים סטנדרטית בלבד.

מערכות היברידיות וקלמן מסנן

המערכות המתקדמות ביותר של מיקום תת-ימי הן ארכיטקטורות היברידיות המשלבות אקוסטיות, אינפורמטיביות, DVL, ולעתים קרובות לחץ (מעמיק) חיישנים לפתרון ניווט יחיד. מסנן קאלמן - אלגוריתם חוזר המאשר את מצבה של מערכת דינמית ממדידות רועשות - הוא עמוד השדרה המתמטי של אינטגרציה אלה.הוא ממזג נתונים לא רצויים עם תיקונים אקוסטיים נמוכים, תוך נית, תוך מתן העדכונים הפחתת רצף בין העדכונים המשתנים ועדכונים יציבים, ואפילו מתמשכים בין למערכות בין למערכות למערכות למערכות רציפות.

לדוגמה, מערכת היברידית עשויה להשתמש ב- USBL תיקונים כל 1-10 שניות, INS עדכונים ב 100 הרץ, DVL velocities ב 10 הרץ, חיישן עומק ב 1 הרץ.הקלמן מסנן משקל כל מדידה על פי אי הוודאות המשוער שלה, הפקת עמדה אופטימלית. , יישומים מודרניים משתמשים במסננים עתירי מים מורחבים (KF) או פילטרים לא גדולים של קאלמן (FUK) כדי להתמודד עם פילטרים מסחריים כאלה) ולהשיג פילטרים מסחריים כגון חיישנים חיישנים חיישנים מקיפים חיישנים , כגון חיישנים , כגון חיישנים חיישנים חיישנים , כגון פילטרים פילטרים מילימטריים , כגון מילימטריים , וכן , כגון חיישנים פילטרים מילימטריים , 000 , כגון , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , וכן , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 פילטרים פילטרים , 000 , 000 , 000 , 000

טכנולוגיות אופטיות וטכנולוגיות מתפתחות

עבור פעולות לטווח קצר (בדרך כלל פחות מ -10 מטרים), מיקום אופטי מציע יתרונות ברזולוציה ועדכון שיעור מערכות מבוסס לייזר יכול למדוד מרחק ונושא עם דיוק תת-מילימטר, בעוד שתכונות odometry חזותי מבוסס המצלמה על קרקעית הים או על מבנה מטרה. טכנולוגיות אלה משמשים יותר ויותר עבור לעגון אוטונומי של AUVs, מיקום מדויק של חיישניים קרקעית הים, ובדיקה תת-ימית של מערכות אופטיות, סובלות, כדי לצמצום מים.

גליורוסקופים אופטיים (FOGs) החליפו בעיקר את הצוענים של ספינינג-מס ב-INS המודרני בשל אמינות גבוהה יותר וסחף נמוך יותר.מחקר מתמשך לתוך אינטרפרומטריה קר-אטומית וחיישנים קוונטיים מבטיח מדידות לא רצויות עם כמה פקודות של צמצום גודל בסחף, פוטנציאל המאפשר ניווט ללא עדכונים אקוסטיים.

יישומים ב Hydrography ו- Beyond

Seafloor Mapping and Charting

סקרים הידרוגרפיים מסתמכים על מיקום מדויק כדי ליצור מפות רחצה מדויקות ו ⁇ nautical. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ מודרני רבבאם לייצר זרמים של צלילי עומק שיש להיות מוקצים בתוך ס"מ כדי להבטיח את ה ⁇ המתקבלים לפגוש את התקני הבינלאומי מימן (IHO) עבור בטיחות של כלי סקר מצויד עם מעקב USBL של חיישן או AUVNS עם סטנדרטים כגון אזורי דיוק ו- IV נדרשים עם אזורי בטיחות.

For example, NOAA's Office of Coast Survey uses Kongsberg EM series multibeam systems integrated with POS MV (Position and Orientation System for Marine Vessels) to map U.S. waters. These systems incorporate GNSS, INS, and acoustic backups to maintain accuracy when satellite signals are degraded or unavailable.

Offshore אנרגיה ותשתית

בתעשיית הנפט והגז, מיקום תת-ימי הוא קריטי להתקנת צינורות, תבניות תת-ימיות, עלייה וקווי זרימה. קמפיין בנייה חד-מינית יחיד של צינורות עשוי לדרוש מיקום של ברges, ROVs, ורכיבי תת-ימיים לסובלנות של כמה סנטימטרים כדי להבטיח היערכות נכונה וחיבור.מערכת היברידית LBL/US לעתים קרובות פרוסים לספק עמדות בזמן אמת באמצעות כל השלבים של ההתקנה, הגדל, שימוש בריבוע, במיקומים אקוסטיים, ומיקום, ומיקום, ומיקום, ומיקום איטי, ומיקום, ומיקום של קוגניבהילאריכותרפיון, ומיקום.

מחקר סביבתי ואקלים

מדעני אקלים משתמשים במיקומים תת-ימיים כדי לפרוס ולאושש מכשירים ים מותאמים כגון moorings, gliders, ו צפים.תוכנית ארגו, אשר שומרת על מערך עולמי של צפים profiling, משתמשת בעמדה לווינית כאשר צפים נמצאים על פני השטח אבל מסתמכים על מצעים מתים בלחץ מתחת למים.

רכבי תת-קרקעי אוטונומיים (AUVs)

AUVs משנים הידרוגרפיה על ידי מתן סקרים גדולים-שטח ללא כלי שיט משטח.מכוניות כמו קונגסברג Hugin או Teledyne Gavia להשתמש INS / DVL כניווט עיקרי, בתוספת עדכונים USBL כאשר כלי התמיכה הוא קרוב. in Deep-sea או תחת משימות תחת ice, שבו עדכונים אקוסטיים הם בקושי, ההסתמכות שלהם על דיוק אינפורמטיבי ו-DVL הופך להתפתחויות מתקדמות לניווט חיצוני.

אתגרים ופתרונות

אותות השפעה סביבתית

המהירות של קול במים משתנה עם טמפרטורה, סליניות ולחץ, יצירת פרופילים מורכבים מהירות קול כיפוף קרני אקוסטיות. Refraction יכול להציג שגיאות טווח של כמה מטרים אם לא מתוקן.מערכות מודרניות לתקן עבור זה על ידי מדידה פרופיל המהירות בזמן אמת באמצעות בדיקות מהירות קול או אימוניות-tempture-tempture-temp-temp-wind (CTD) ומימוש אלגוריתמים, בנוסף, רעש, מפעולות מרעש ימיות, ומניעה של משימות דו-מחדשות, יכולות לסינון, וטכניקות דו-מנטליות, יכולות לסינון, וסינון, יכולות לסינון, וסינון-מחדשות, יכולות לסינון-פעמותקינות, וסינון-פעמותיות.

קלבריזציה וסינכרון

מערךים אקוסטיים דורשים דיוק קלמנט כדי לקבוע את העמדות היחסיות של transponders ואת הכיוון של מערך הידרופוניקה. שגיאות קלברציה ישירות להפיץ שגיאות מיקום.עבור מערכות USBL, ההיערכות בין transceive לבין מסגרת ההתייחסות של הספינה (כולל סט, רול וכותרת) חייבת להיות ידועה כשבריר של שיטות.

סינכרוניזציה של זמן בין חיישנים היא גם קריטית.מערכות מודרניות רבות משתמשות ב-Timestamps סינכרונו באמצעות פרוטוקולי זמן רשת או אותות הדופק ייעודיים (PPS) ממקבלי GNSS.כל עצלות או ג'טר מציגים רעש לתוך מסנן Kalman.

עיבוד נתונים ושילוב בזמן אמת

נפח הנתונים של חיישנים גבוהים -INS ב 100-200 הרץ, DVL ב 10-20 הרץ, ועדכונים אקוסטיים ב 1-10 הרץ - דורש אינטגרציה בזמן אמת דרישות אלגוריתמים סינון יעילים וכוח חישובי מספיק, לעתים קרובות מסופק על ידי מעבדים משובצים בתוך המחשב.

תחזית עתיד

המונחים:

חיישנים קוונטיים המבוססים על אינטרפרומטריה של אטום השיגו האצה וסיבוב sensitivities הזמנות של גודל טוב יותר מאשר gyroscopes אופטית בהגדרות מעבדה.אם חיישנים קוונטיים קוונטיים להיות זמינים, הם יכולים לאפשר סחף כל כך נמוך כי עדכונים אקוסטיים להיות מיותרים עבור משימות ארוכות ימים, מפשט מאוד לוגיסטיקה ולהפחית עלויות מחקר כגון המעבדה הימית של ארה"ב וטכנולוגיות קוונטיות אלה הם לפתח יישומים ימיים.

למידה מכונה לניווט

אלגוריתמי למידת מכונה מוחלים על מנת לשפר את החיישן, לזהות אנומליות, ואפילו לחזות אסטרטגיות ניווט אופטימליות.לדוגמה, רשתות עצביות אבולוציוניות יכולות לעבד תמונות של סונר כדי לחלץ תכונות לניווט בעל הקרקע, ולתאים אותן עם מפות מאוחסנים. Reinforcement Learning עשוי לאפשר ל- AUVs להתאים את התנהגות הניווט שלהם בזמן אמת בהתבסס על תנאים סביבתיים.

רשתות האוקיינוסים המשתנים

העתיד של מיקום תת-ימי שקרים ברשתות משולבות המשלבות אותות אקוסטיים, אופטיים ואלקטרומגנטיים עם עיבוד מבוסס ענן.רשת תת-קרקעית של חיישנים - המחוברת באמצעות כבלים אופטיים או מודמים אקוסטיים - יכול לספק תשתיות קבועות לפלטפורמות אוטונומיות הפועלות על פני מדפים יבשתיים. Initiatives כגון יוזמת אוונס Observaries (OOI) וגלובלי observatories גלובליים כבר לספק כמה עמדות תמיכה גלובלית, אך ורקמות, אך ורק עמדה גלובלית, עמדה גלובלית, אך עדיין קיימת עמדה גלובלית.

מסקנה

ההתקדמות בטכנולוגיות מיקום תת-ימיות שינתה את איסוף הנתונים הידרוגרפיים ממאמץ מרתיע, מבוסס ספינה לרזולוציה גבוהה, אוטונומית, ומבצע בזמן אמת יותר ויותר. מערכות אקוסטיות ממשיכות לשפר את הדיוק והנוחות של השימוש, בעוד שטכנולוגיות אינרטיות ואופטיות ממלאות את הפערים שבהם האקוסיביות נופלות קצרות.

הגל הבא של חדשנות - חיישני הקוונטים, למידת מכונה, ותשתיות רחבות-שטח - פרוזז להסיר רבים מהמגבלות שנותרו, המאפשרים הידרוגרפים למפות לא רק את קרקעית הים אלא את עמודת המים כולה ואת הסביבה התת-ימית עם דיוק חסר תקדים.כטכנולוגיות אלה בוגרות, הם יפתחו יכולות חדשות לניווט, ניהול, ניהול, ניהול סביבתי, וגילוי מדעי באוקיינוסים.