Подводное использование GPS: возможности и ограничения

Моря и океаны — это гигантские водные пространства, которые покрывают около 71% поверхности Земли. Они берут на себя роль в климатической системе планеты, оказывая влияние на многие виды флоры и фауны и оказывая решающее влияние на жизнь человека.

Тихий океан — это самый большой и глубокий океан на Земле.

Его площадь составляет около 168 миллионов квадратных километров. Отличается разнообразием экосистем: от тропических коралловых рифов до глубоководных впадин, таких как Марианская.

Атлантический океан занимает около 85 миллионов квадратных километров. Имеет региональное море, включая Средиземное, Карибское и так далее.

Индийский океан омывает побережье Азии и Австралии. Природная теплая вода, разнообразие флоры и фауны и огромное богатство морских ресурсов.

Южный океан омывает Антарктиду и считается сравнительно молодым океаном. Холодные воды и сильные течения играют решающую роль в регулировании глобального климата.

Северный Ледовитый океан считается самым маленьким и мелководным океаном. Его вода покрыта льдом большую часть года.

Объединение океанов в единую систему, и их здоровье напрямую влияет на будущее планеты. Сохранение их экосистем — глобальная проблема человечества.

Возможности подводного использования GPS

Подводное использование GPS сталкивается с серьезными техническими ограничениями, поскольку радиоволны, на которых работают GPS-сигналы, плохо контролируют ситуацию в воде. Однако существуют технологии и решения, позволяющие адаптировать GPS и сопутствующие системы для работы под водой.

Основные проблемы:

Плохое проникновение радиоволн:

• GPS работает на частотах 1,57542 ГГц (L1) и 1,2276 ГГц (L2). Эти радиоволны требуют своей силы уже на нижних глубинах, в нескольких метрах солёной воды.

Точность в первый момент:

• Доступ воды к спутникам GPS невозможен, поэтому сигналы следует обрабатывать альтернативными методами.

Решения и технологии:

Сочетание GPS и акустических систем:

• Принцип: GPS-сигналы принимаются на поверхность, а затем передаются подводным устройствам с помощью акустических модемов.

• Используется для подводных дронов (AUV) или аппаратов с дистанционным управлением (ROV).

Инерциальные навигационные системы (ИНС):

• Принцип: Аппарат использует гироскопы и акселерометры для определения положения, исходя из точки, где он в последний раз получил GPS-сигнал на поверхности.

• Высокоточная ИНС может работать автономно в течение длительного времени.

Буй-ретранслятор:

• Подводное устройство соединяется с плавучим буем, который принимает сигналы GPS и передает их устройству через кабель или акустическую связь.

• Этот метод особенно эффективен для глубоководных исследований.

Акустические позиционные системы:

• Принцип: Под водой размещаются стационарные маяки, которые посылают звуковые сигналы. Устройство рассчитывает свое положение по времени задержки этих сигналов.

• Пример: LBL (длинная базовая линия), SBL (короткая базовая линия).

• Оптические и радиоволновые решения для мелководья:

• На мелководье могут применяться радиоволны низких частот, а также оптические системы связи для определения местоположения.

Области применения:

Научные исследования:

• Изучение морского дна, экосистем и тектонических процессов.

Подводные дроны и роботы:

• Используются для проверки трубопроводов, приборов и других подводных устройств.

Военные и спасательные операции:

• Обеспечивает точную навигацию подводных устройств, в том числе субмарины.

Промышленность:

• Подводная добыча нефти и газа, прокладка измерений.

Геодезия:

• Картографирование морского дна и поиск затонувших объектов.

Перспективы развития:

Новые технологии связи:

• Разработка гидроакустических и электромагнитных систем, способных передать данные на большие мощности.

Спутниковая связь в соединении с морской инфраструктурой:

• Установлены подводные ретрансляторы и плавучие методы для более эффективного использования GPS.

Интеграция с квантовыми сенсорами:

• Более точные и автономные инерциальные системы навигации.

Подводное использование GPS активно развивается, что имеет важное значение для освоения Мирового океана.

Какие есть ограничения использования подводного GPS

Использование GPS под водой ограничено рядом ключевых факторов, помехами и физическими условиями окружающей среды, техническими барьерами и особенностями передачи сигналов. Вот основные ограничения:

1. Распространение радиоволн в воде.

• Радиоволны, использующие GPS (частоты L1 — 1,57542 ГГц и L2 — 1,2276 ГГц), практически полностью отслеживают воду уже на нескольких метрах, особенно в солёной морской воде.

• Радиоволны высоких частот передаются гораздо быстрее в воде, чем в воздухе, что делает невозможным прямой прием спутниковых сигналов под водой.

2. Потеря связи

• Даже на самых малых глубинах GPS-сигнал может стать слабым и возможно отключение. Это ограничивает возможности навигации и требует вспомогательных технологий, таких как акустические системы, ретрансляторы или инерциальные навигационные системы.

3. Точность и дрейф инерциальных систем.

• Без прямого доступа к GPS-данным подводные аппараты опираются на инерциальные навигационные системы (INS), которые со временем накапливают ошибки из-за дрейфа датчиков.

• Для возникновения ошибок INS необходимо периодическое обновление координат, что требует всплытия или использования ретрансляторов.

4. Ограничения акустической связи

• Альтернативные системы, такие как акустическая связь, имеют ограничения по дальности (обычно до нескольких километров), скорости передачи данных и точности определения местоположения.

• Акустические изменения происходят из-за морской среды: температурных градиентов, течений, солёности и шума (например, от судов или морских животных).

5. Ограничения при работе в сложных условиях.

• На мелководье или в местах с большой высотой (рифы, затонувшие объекты, платформы) GPS и акустические системы могут оказаться недостаточно совершенными или вообще не работать.

• В глубоководных районах установка стационарных маяков для акустических систем или ретрансляторов бывает весьма сложной и дорогостоящей.

6. Зависимость от надводных решений

• Для передачи координат подводному аппарату часто используется буй на поверхности, соединенный с аппаратом кабелем или акустической связью. Однако такие решения обусловлены погодными условиями, физическими повреждениями и могут оказаться уязвимыми в условиях военных или суровых условий.

7. Высокая стоимость оборудования.

• Технологии, обеспечивающие подводную навигацию (например, LBL-системы или продвинутые INS), требуют сложного и дорогостоящего оборудования, которое не всегда доступно для всех проектов.

8. Ограничения при масштабировании

• Использование подводного GPS для больших групп автономных подводных аппаратов (АНПА) сталкивается с препятствиями, помехами и потерями точности при работе в одной зоне.

Пути прекращения ограничений:

Совмещение GPS с альтернативными технологиями:

1. Акустические и инерциальные системы.

2. Использование буёв-ретрансляторов.

Разработка новых типов сигналов:

• Электромагнитные волны низкой частоты или оптическая связь на мелководье.

Улучшение инерциальных систем:

• Квантовые сенсоры для снижения шума дрейфа.

Модернизация акустических систем:

• Большая дальность и точность передачи данных в условиях морской среды.

Несмотря на ограничения, подводное использование GPS и его адаптированных технологий активно развивается, расширяя возможности навигации и исследований подводного мира.

Купить в Украине качественное снаряжение для дайвинга и других водных увлечений можно в специализированном магазине Батискаф или заказать через сайт Batiskaf.ua.