Підводне використання GPS: можливості та обмеження

Моря та океани – це гігантські водні простори, які покривають близько 71% поверхні Землі. Вони беруть на себе роль кліматичної системі планети, впливаючи на багато видів флори і фауни і вирішуючи впливом геть життя людини.

Тихий океан - це найбільший і найглибший океан на Землі.

Його площа становить близько 168 мільйонів квадратних кілометрів. Відрізняється різноманітністю екосистем: від тропічних коралових рифів до глибоководних западин, таких як Маріанська.

Атлантичний океан займає близько 85 мільйонів квадратних кілометрів. Має регіональне море, включаючи Середземне, Карибське та інші.

Індійський океан омиває узбережжя Азії та Австралії. Природна тепла вода, різноманітність флори та фауни та величезне багатство морських ресурсів.

Південний океан омиває Антарктиду і є порівняно молодим океаном. Холодні води та сильні течії відіграють вирішальну роль у регулюванні глобального клімату.

Північний Льодовитий океан вважається найменшим і мілководним океаном. Його вода вкрита льодом більшу частину року.

Об'єднання океанів у єдину систему, та його здоров'я безпосередньо впливає на майбутнє планети. Збереження їхніх екосистем є глобальною проблемою людства.

Можливості підводного використання GPS

Підводне використання GPS стикається із серйозними технічними обмеженнями, оскільки радіохвилі, на яких працюють GPS-сигнали, погано контролюють ситуацію у воді. Однак існують технології та рішення, що дозволяють адаптувати GPS та супутні системи для роботи під водою.

Основні проблеми:

Погане проникнення радіохвиль:

• GPS працює на частотах 1,57542 ГГц (L1) та 1,2276 ГГц (L2). Ці радіохвилі вимагають своєї сили вже на нижніх глибинах, за кілька метрів солоної води.

Точність у перший момент:

• Доступ води до супутників GPS неможливий, тому сигнали слід обробляти альтернативними методами.

Рішення та технології:

Поєднання GPS та акустичних систем:

• Принцип: GPS-сигнали приймаються на поверхню, а потім передаються підводним пристроям за допомогою акустичних модемів.

• Використовується для підводних дронів (AUV) або апаратів з дистанційним керуванням (ROV).

Інерційні навігаційні системи (ІНС):

• Принцип: Апарат використовує гіроскопи та акселерометри для визначення положення, виходячи з точки, де він востаннє отримав GPS сигнал на поверхні.

• Високоточна ІНС може працювати автономно протягом тривалого часу.

Буй-ретранслятор:

• Підводний пристрій з'єднується з плавучим буєм, який приймає сигнали GPS і передає їх через кабель або акустичний зв'язок.

• Цей метод є особливо ефективним для глибоководних досліджень.

Акустичні позиційні системи:

• Принцип: Під водою розміщуються стаціонарні маяки, які надсилають звукові сигнали. Пристрій розраховує своє становище за часом затримки цих сигналів.

• Приклад: LBL (довга базова лінія), SBL (коротка базова лінія).

• Оптичні та радіохвильові рішення для мілководдя:

• На мілководді можуть застосовуватися радіохвилі низьких частот, а також оптичні системи зв'язку для визначення місце знаходження.

Області застосування:

Наукові дослідження:

• Вивчення морського дна, екосистем та тектонічних процесів.

Підводні дрони та роботи:

• Використовуються для перевірки трубопроводів, пристроїв та інших підводних пристроїв.

Військові та рятувальні операції:

• Забезпечує точну навігацію підводних пристроїв, зокрема субмарини.

Промисловість:

• Підводний видобуток нафти та газу.

Геодезія:

• Картографування морського дна та пошук затонулих об'єктів.

Перспективи розвитку:

Нові технології зв'язку:

• Розробка гідроакустичних та електромагнітних систем, здатних передати дані на великі потужності.

Супутниковий зв'язок у поєднанні з морською інфраструктурою:

• Встановлено підводні ретранслятори та плавучі методи для більш ефективного використання GPS.

Інтеграція з квантовими сенсорами:

• Більш точні та автономні інерційні навігаційні системи.

Підводне використання GPS активно розвивається, що має важливе значення для освоєння Світового океану.

Які є обмеження використання підводного GPS

Використання GPS під водою обмежено рядом ключових факторів, перешкодами та фізичними умовами довкілля, технічними бар'єрами та особливостями передачі сигналів. Ось основні обмеження:

1. Поширення радіохвиль у воді.

• Радіохвилі, що використовують GPS (частоти L1 – 1,57542 ГГц та L2 – 1,2276 ГГц), практично повністю відстежують воду вже на кількох метрах, особливо у солоній морській воді.

• Радіохвилі високих частот передаються набагато швидше у воді, ніж у повітрі, що унеможливлює прямий прийом супутникових сигналів під водою.

2. Втрата зв'язку

• Навіть на найменших глибинах GPS-сигнал може стати слабким і можливе вимкнення. Це обмежує можливості навігації та потребує допоміжних технологій, таких як акустичні системи, ретранслятор або інерційні навігаційні системи.

3. Точність та дрейф інерційних систем.

• Без прямого доступу до GPS даних підводні апарати спираються на інерційні навігаційні системи (INS), які згодом накопичують помилки через дрейф датчиків.

• Для виникнення помилок INS необхідно періодичне оновлення координат, що потребує спливання або використання ретрансляторів.

4. Обмеження акустичного зв'язку

• Альтернативні системи, такі як акустичний зв'язок, мають обмеження по дальності (зазвичай до кількох кілометрів), швидкості передачі даних та точності позиціювання.

• Акустичні зміни відбуваються через морське середовище: температурні градієнти, течії, солоність і шум (наприклад, від суден або морських тварин).

5. Обмеження під час роботи у складних умовах.

• На мілководді або в місцях з великою висотою (рифи, об'єкти, що затонули, платформи) GPS і акустичні системи можуть виявитися недостатньо досконалими або взагалі не працювати.

• У глибоководних районах встановлення стаціонарних маяків для акустичних систем або ретрансляторів буває дуже складним і дорогим.

6. Залежність від надводних рішень

• Для передачі координат підводному апарату часто використовують буй на поверхні, з'єднаний з апаратом кабелем або акустичним зв'язком. Однак такі рішення зумовлені погодними умовами, фізичними ушкодженнями та можуть виявитися вразливими в умовах військових чи суворих умов.

7. Висока вартість устаткування.

• Технології, що забезпечують підводну навігацію (наприклад, LBL-системи або просунуті INS), потребують складного та дорогого обладнання, яке не завжди доступне для всіх проектів.

8. Обмеження при масштабуванні

• Використання підводного GPS для великих груп автономних підводних апаратів (АНПА) стикається з перешкодами, перешкодами та втратами точності під час роботи в одній зоні.

Шляхи припинення обмежень:

Поєднання GPS з альтернативними технологіями:

1. Акустичні та інерційні системи.

2. Використання буев-ретрансляторів.

Розробка нових типів сигналів:

• Електромагнітні хвилі низької частоти або оптичний зв'язок на мілководді.

Поліпшення інерційних систем:

• Квантові рецептори для зниження шуму дрейфу.

Модернізація акустичних систем:

• Велика дальність та точність передачі в умовах морського середовища.

Незважаючи на обмеження, підводне використання GPS та його адаптованих технологій активно розвивається, розширюючи можливості навігації та досліджень підводного світу.

Купити в Україні якісне спорядження для дайвінгу та інших водних захоплень можна у спеціалізованому магазині Батискаф або замовити через сайт Batiskaf.ua.