Способ измерения морских течений

 

Способ определения вектора морских течений на различных глубинах основан на сбрасывании погружающегося и всплывающего после отделения груза буя и определения координат точек погружения и всплытия буя. В процессе погружения и всплытия буя производят периодические определения координат буя в трехмерном пространстве путем излучения запросных и приема ответных сигналов. Вектор течения получают путем обработки данных о координатах буя. Технический результат - уменьшение времени измерения. 2 ил.

Предлагаемый способ относится в области гидроакустики и может применятся при проведении глубоководных работ с помощью автономных или буксируемых аппаратов, перед спуском которых под воду необходимо произвести обследование всей толщи воды с целью определения вектора течения на различных глубинах. Знание вектора течения в зависимости от глубины позволяет определить рациональный способ маневрирования аппарата при его погружении и производстве работ, а также оценить степень безопасности плавания аппарата на различных глубинах его погружения, так как в условиях сильных течений аппарат может быть отнесен от обеспечивающего корабля на недопустимое из соображений его безопасности расстояние.

Известен способ определения вектора морского течения на различных глубинах (см. Journal Marine Research, №1, 1969 William J.Schmitz, "On the Dinamics of the Florida Current"), заключающийся в том, что для определения усредненной по глубине (от нулевой глубины до заданной) величины этого вектора производится сбрасывание буя, который погружается в свободном падении до заданной глубины, на заданной глубине буй сбрасывает груз и затем всплывает на поверхность под воздействием собственной положительной плавучести. Сопоставление координат точек погружения и всплытия буя позволяет определить интегральный эффект воздействия течения на всей траектории погружения и всплытия буя.

Способ поясняется фиг.1, где средняя величина составляющих вектора скорости определяется по формулам

t - время погружения и всплытия,

v _z - скорость погружения и всплытия буя,

x _вспл. y_вспл. - координаты точки всплытия,

x_погр. y_погр. - координаты точки погружения в системе координат XY,

неподвижной относительно земли. Ориентация осей Х и Y может быть произвольной, но постоянной в пределах времени измерения.

Для определения координат точек погружения и всплытия буя используется радио-навигационная система высокой точности (например, система "DECCA", США). Осредненные по вертикали горизонтальные составляющие определяются с точностью 5÷10%; ошибка определения глубины слоя, в котором определяется течение, составляет также 5÷10% (по данным упомянутой выше статьи).

Для определения течения в различных слоях, верхняя граница которых не является поверхностью моря, а выбирается произвольно, необходимо производить последовательное сбрасывание буя с отделением его груза на различных глубинах. При этом может быть определена скорость течения в каждом последующем слое относительно предыдущего, и в результате многократного повторения измерений и соответствующей обработке данных определить абсолютные значения составляющих вектора скорости течения в различных слоях (на различных глубинах).

Необходимость многократных погружений буя для определения изменений вектора скорости течения по глубине и связанное с этим увеличение времени наблюдения при увеличении количества интересующих слоев является основным недостатком известного способа.

Кроме того, в случае отказа механизма сбрасывания груза или потери буя после его всплытия, информация, которая может быть получена при этом погружении буя, полностью утрачивается.

Предлагаемый способ определения вектора скорости течения заключается в том, что в процессе погружения и всплытия буя гидроакустическая навигационная система, предназначенная для определения места донных маяков-ответчиков, а также автономных подводных аппаратов относительно судна, периодически осуществляет запрос гидроакустического ответчика, установленного на погружаемом буе, и принимает его ответные сигналы. Подобная система установлена, например, на исследовательском судне США "Mizar" (отчет Морской исследовательской лаборатории США, "Precision and Accuracy in an Underwater Navigation System", "Supplement to JEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems", Vol. AES-3, №6, November 1967).

Способ поясняется фиг.2. Составляющие вектора скорости, усредненные по слою Z_n-1 -Z_n, определяются по формулам

x_n, y_n , x'_n, y'_n - координаты буя при погружении и всплытии на n-ом горизонте

t_n-1, t_n - время пересечения границ слоя, т.е. моменты измерения координат x и y.

Привязка относительных измерений, осуществляемых на судне, к неподвижной системе координат XY, может быть осуществлена с помощью той же радионавигационной системы "DECCA" или с помощью реперного донного маяка-ответчика.

Средне-квадратичная ошибка определения координат буя (по опыту работы гидроакустической навигационной системы, установленной на судне "Mizar"), составляет 2÷4% от глубины погружения. Эта величина включает в себя также ошибку определения места самого судна с помощью радио-навигационный системы "DECCA".

Операция определения места может быть повторена каждые 20÷30 секунд, что при скорости свободного падения или всплытия буя, равной 1 м/с, что имеет место на практике, позволяет производить определение места через каждые 20÷30 м траектории буя. Таким образом, траектория падающего в свободном падении или всплывающего буя может быть построена при глубине места 2 км по 60÷100 точкам при погружении и такому же количеству точек при всплытии буя.

Таким образом, траектория падающего в свободном падении или всплывающего буя может быть построена при глубине места 2 км по 60÷100 точкам при погружении и такому же количеству точек при всплытии буя.

Если необходимо определить скорость течения в слое толщиной 200 м (с вертикальными координатами от 1000 до 1200 м), то смещение в этом слое может быть определено со среднеквадратичной ошибкой 7÷14 м (при 10 отсчетах в пределах слоя), что соответствует среднеквадратичной ошибке определения скорости течения 0,025÷0,10 узла.

При определении скорости течения при большей толщине слоя ошибка будет меньше за счет осреднения. Участок траектории, соответствующий всплытию буя, используется для увеличения количества замеров в каждом слое.

Возможность слежения за всплывающим буем облегчает его обнаружение после всплытия на поверхность.

Таким образом, снятие зависимости скорости течения от глубины по 10 слоям и глубине 2 км с использованием ранее известного способа потребует осуществления 10 сбрасываний буя, что, без учета времени на подъем на борт судна всплывшего буя, потребует затраты времени около 7 часов, в то время как использование предлагаемого способа потребует затраты времени немного более 1 часа.

Кроме этого при сложной метеорологической обстановке, в условиях плохой видимости, затрудняющих использование известного способа, предлагаемый способ может быть использован с полной эффективностью. При аварийном отказе механизма сброса груза ошибка определения вектора течения увеличивается только в 2 раза, за счет отсутствия возможности осреднения по обеим ветвям траектории буя.

Использование всей толщи воды производится при однократном сбрасывании буя.

Формула изобретения

Способ определения вектора морских течений на различных глубинах, основанный на сбрасывании погружающегося и всплывающего после отделения груза буя и определении координат точек погружения и всплытия буя, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени измерений, в процессе погружения и всплытия буя производят периодические определения координат буя в трехмерном пространстве путем излучения запросных и приема ответных сигналов, а вектор течения получают путем обработки данных о координатах буя.

РИСУНКИ