Прикладные научные исседования по теме:
«Создание научно-технического задела в области информационно-телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи для контроля и оперативной диагностики технически сложных подводных объектов в Арктике и Антарктике»

Соглашение о предоставлении субсидии № 14.607.21.0009 от 05.06.2014 г.

Содержание

Введение

1. Цель выполнения ПНИ

2. Планируемые результаты проекта и их промышленного внедрения

3. Задачи, которые необходимо решить для достижения целей проекта

4. Выполненные работы

5. Достигнутые результаты

6. Поддержка проекта Индустриальным партнером

Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Соглашение о предоставлении субсидии с Министерством образования и науки
№ 14.607.21.0009 от 05.06.2014 г.

Тема прикладных научных исследований (ПНИ):
«Создание научно-технического задела в области информационно-телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи для контроля и оперативной диагностики технически сложных подводных объектов в Арктике и Антарктике»

ААНИИ Получатель субсидии: федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и антарктический научно-исследовательский институт« (ФГБУ «ААНИИ»)

Индустриальный партнер: ОАО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс» (ОАО НПП «Радар ммс»)

Срок выполнения проекта: 2014 – 2016 годы

Руководитель проекта: заведующий отделом «Разработка и исследования гидрометеостанций и приборов» ФГБУ «ААНИИ», кандидат технических наук Балакин Рудольф Александрович.










1. Цель выполнения ПНИ

Целью проекта является получение научных результатов, направленных на создание информационно-телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи для дистанционного контроля и оперативной диагностики морских нефтегазовых платформ и трубопроводов в арктических морях.

Полученные в результате ПНИ научные результаты, технические и технологические решения позволят создавать новые виды информационно-телекоммуникационных систем с гидроакустическим каналом связи.

Разработанные системы должны обеспечить:

  • повышение экономической эффективности,
  • снижение материальных и финансовых издержек,
  • замещение импорта,
  • сокращение рисков аварий и кризисных ситуаций при эксплуатации технически сложных морских объектов в Арктике и Антарктике.

    Актуальность проекта подтверждается потребностями опережающего экономического развития северных районов РФ и в частности соответствующими разделами «Информационное обеспечение» Морской доктрины Российской Федерации на период до 2020 года, которые предусматривают развитие информационных систем, обеспечивающих морскую деятельность

    2. Планируемые результаты проекта и их промышленного внедрения

    ААНИИ ААНИИ

    В настоящее время в Арктике эксплуатируется все больше технически сложных подводных объектов, таких как морские нефтедобывающие платформы, подводные нефте-газопроводы, автономные буйковые и донные станции, предназначенные для мониторинга и научных исследований морской среды. Телекоммуникационная связь с этими объектами необходима для контроля и оперативной диагностики их состояния, отслеживания технологических режимов и принятия мер при аварийных ситуациях, а также для передачи информации о состоянии окружающей среды.

    Прокладка, эксплуатация, поиск неисправностей и ремонт кабельной линии связи является технически сложной и дорогостоящей операцией. Кроме того, необходимо учитывать также высокую стоимость самого телекоммуникационного кабеля и низкую эксплуатационную надежность телекоммуникационных кабелей в условиях Арктики и Антарктики, обусловленную воздействием на них ледовых образований (торосов, стамух, айсбергов).

    Альтернативным вариантом решения проблемы, связанной с использованием телекоммуникационных кабелей, является использование телекоммуникационной системы с гидроакустическим каналом связи.

    Однако возможность использования гидроакустического канала связи в условиях мелководного арктического шельфа с сильно неоднородным ледяным покровом затруднена известными явлениями многолучевого распространения и реверберации акустического сигнала. В результате многолучевого распространения к приемнику приходит несколько одинаковых сигналов, но с различными временными задержками. Сигналы интерферируют между собой, создают взаимную помеху и препятствуют правильному восприятию информационного сигнала. При этом чем выше скорость передачи цифровых данных, тем сложнее задача выделения полезного сигнала на фоне многолучевых и реверберационных помех. Для преодоления многолучевого распространения и реверберации требуется решить задачу разделения отдельных лучей различными аппаратными и алгоритмическими средствами.

    Таким образом, в результате выполнения ПНИ должно быть получено принципиальное решение и разработана технология гидроакустической связи с приемлемыми техно-экономическими показателями, конкурентоспособными на российском и зарубежных рынках.

    В результате выполнения ПНИ планируется получить следующие результаты:

    1. Алгоритмы и методы модуляции, помехоустойчивого кодирования, математической обработки акустических сигналов, обеспечивающих помехоустойчивость к шумовым, многолучевым и реверберационным помехам.

    2. Прототипы конструкторско-технологических решений элементов информационно-телекоммуникационной системы с гидроакустическим каналом связи.

    3. Изготовить экспериментальный образец телекоммуникационной системы с гидроакустическим каналом связи.

    4. Провести лабораторно-стендовые и натурные испытания экспериментального образца системы с гидроакустическим каналом связи.

    5. Обобщить полученные результаты исследований и на их основе подготовить Технические предложения по реализации результатов ПНИ.

    Для промышленного внедрения результатов на заключительной стадии ПНИ запланирована разработка проекта Технического задания на ОКР. Проведение ОКР и постановка системы на производство предполагается Индустриальным партнером – НПК «Марс» ОАО «НПП «Радар ммс».

    3. Задачи, которые необходимо решить для достижения целей проекта

    Для достижения целей проекта должны быть решены следующие основные задачи.

    1. Создана математическая модель гидроакустического канала связи, которая должна давать вероятностную оценку параметров акустического сигнала в точке приема при заданных гидрологических и ледовых условиях и описывать двумерную лучевую картину распространения акустического сигнала в двух направлениях от диспетчерского пункта к контролируемому объекту и обратно. Математическая модель гидроакустического канала реализуется в аналитической форме (набор уравнений) и в виде компьютерной программы, позволяющей задавать входные параметры в различных сочетаниях, проводить расчеты, сохранять выходную информацию и отображать перечисленные выходные параметры в виде таблицы значений и в графическом виде лучевой картины на мониторе компьютера.

    2. Разработана и реализована компьютерная имитационная модель информационно-телекоммуникационной системы с гидроакустическим каналом связи. Модель должна воспроизводить структуру и алгоритмы функционирования передающего и приемного системных модулей и имитировать работу системы при различных значениях параметров функциональных узлов с целью определения границ работоспособности системы и выбора оптимальных режимов ее функционирования. Параметры основных элементов системы при моделировании должны быть программно управляемыми.

    Результатами компьютерного моделирования на имитационной модели системы должны быть рекомендации по оптимальной структуре передающего и приемного системных модулей системы и предложения по выбору оптимальных параметров элементов системы.

    Разработанные в результате исследований и моделирования алгоритмы и методы модуляции, помехоустойчивого кодирования, математической обработки акустических сигналов должны обеспечивать помехоустойчивость к шумовым, многолучевым и реверберационным помехам. Эти алгоритмы и методы должны быть реализованы при изготовлении экспериментального образца системы с гидроакустическим каналом связи.

    3. Экспериментальный образец системы с гидроакустическим каналом связи должен состоять из двух системных модулей – ведомого и ведущего, осуществляющих связь между контролируемым подводным объектом и сервером диспетчерского пункта.
    Система

    Ведомый системный модуль (1) должен устанавливаться на подводном контролируемом объекте (2) и предназначается для получения информации от датчиков (3) объекта и управления органами регулирования (4) объекта. Обмен данными между ведомым системным модулем и подводным объектом осуществляется по проводной кабельной линии в обоих направлениях. В ведомом модуле информация преобразовывается и кодируется, после чего передается по гидроакустическому каналу (5) на ведущий системный модуль.

    Ведущий системный модуль (6) предназначен для приема акустических сигналов от ведомого модуля, их декодирования и математической обработки. Раскодированная информация передается на сервер (7) диспетчерского пункта по проводной кабельной линии. По этой же линии от управляющего сервера в ведущий модуль поступают команды управления объектом и после кодирования передаются в обратном направлении по гидроакустическому каналу связи на ведомый системный модуль. Ведомый модуль после обработки принятых сигналов транслирует поступившие команды органам управления объектом.

    Система с гидроакустическим каналом связи должна удовлетворять следующим требованиям:
    а) дальность канала передачи данных не менее 3000 м;
    б) скорость передачи цифровых данных не менее 2400 бит/с;
    в) уровень допустимых искажений информации в канале связи не более 1•10-5 бит/с;
    г) срок автономной работы (по энергопотреблению) не менее 1 года.

    В состав программных средств экспериментального образца системы должны входить:
    а) модуль управления работой системы в задаваемых оператором режимах;
    б) модуль, обеспечивающий связь экспериментального образца системы с сервером;
    в) модуль, осуществляющий обмен информацией между системными модулями и выполняющий преобразование, кодирование, декодирование, обработку сигналов, передачу и прием данных;
    г) модуль получения информации от датчиков подводного объекта;
    д) модуль, осуществляющий передачу команд для управления органами регулирования объекта и контролирующий их исполнение.

    Полученные в ходе выполнения ПНИ научные, технические и технологические решения, применяющиеся методики должны соответствовать последним достижениям науки и техники.

    На первом этапе выполнения ПНИ должны быть проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96. На остальных этапах ПНИ должны быть получены патенты и другие результаты интеллектуальной деятельности, зарегистрированные в соответствии с законодательством РФ.

    4. Выполненные работы.

    На первом этапе ПНИ проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в ПНИ. Были проанализированы журнальные статьи, зарубежные и отечественные патенты на изобретения, монографии, диссертации, рассмотренные по трем группам.

    В первую группу анализируемых источников входят работы, содержащие информацию об акустических характеристиках мелководных морей в зависимости от гидрологических и погодных условий.

    Во вторую группу входят работы, посвященные методам модуляции, кодирования и обработки данных на приемной стороне гидроакустического канала.

    К третьей группе относятся статьи и патенты, направленные на разработку технических средств для реализации новых методов и алгоритмов передачи информации, включая приемные и передающие антенны, аналоговые и цифровые фильтры, модуляторы и демодуляторы, усилители мощности и усилители принимаемых сигналов, микропроцессорные устройства обработки данных и другие. Результаты проведенного аналитического обзора по проблемам гидроакустического канала связи в различных морских регионах отражены в разделе промежуточного отчета о ПНИ.

    Результаты проведенных патентных исследований оформлены в соответствии с требованиями ГОСТ и также включены в промежуточный отчет о ПНИ, в том числе отчет о поиске и описание отобранных изобретений.
    Схема эксперимента

    Исследования существующих методов и технических средств приема и передачи данных по гидроакустическому каналу связи проводились на макетах акустических модемов, изготовленных совместно с индустриальным партнером, в сравнении с промышленным гидроакустическим модеме связи с алгоритмом модуляции S2С компании EVOLOGIC GmbH. При экспериментальных исследованиях использовалось нестандартное оборудование, изготовленное в ФГБУ «ААНИИ»:

  • высокочувствительного широкодиапазонного гидрофона;
  • гидроакустического маяка-ответчика;
  • акустического размыкателя троса.

    bassein Натурные исследования проводились в Финском заливе в районе о. Гогланд на глубинах 50 – 70 м с борта гидрографического судна “Николай Матусевич” в период август – сентябрь 2014 г.

    Перед началом экспедиции испытуемые технические средства тестировались в специализированном опытовом ледовом бассейне ФГБУ “ААНИИ”, который имеет статус уникальной научной установки Росгидромета.

    Методика исследований включала два этапа. На первом этапе проводился расчет ожидаемых параметров сигнала исходя из известных гидрологических условий, используя известные эмпирические или теоретические формулы. Затем согласно расчетным данным выстраивалась схема эксперимента. В ходе исследований измерялись короткопериодные вариации временной задержки акустических сигналов на дальностях от 60 до 500 м. В ходе натурных экспериментов сравнивались три различных метода модуляции акустических сигналов с точки зрения их устойчивости к помехам многолучевости и реверберации.

    Сравнительные испытания трех различных методов модуляции и кодирования показали очевидное преимущество алгоритма S2С. Дальнейшие работы по выбору оптимального варианта построения акустического модема должны базироваться на полученных результатах испытаний.

    На первом этапе натурных экспедиционных исследований проводились измерения гидроакустических полей в мелководных арктических морях с целью набора статистики по вертикальному профилю скорости звука в различных гидрологических и ледовых условиях. Измерения проводились в период июль – сентябрь 2014 г. в научных рейсах научно-экспедиционных судов (НЭС) «Академик Федоров», который имеет статус уникальной научной установки, и «Академик Трешников».
    НЭС Академик Федоров НЭС Академик Трешников

    Экспедиционные исследования были проведены в соответствии с разработанной «Программой и методиками экспериментальных (натурных) исследований гидроакустических полей в арктических морях в зависимости от гидрологических и ледовых условий». Измерения значений гидрологических величин и параметров гидроакустического поля определялись с помощью современных СТД зондов.

    Обработка полученных материалов проводится в настоящее время и должна быть завершена на втором этапе работ в 2015 г.

    5. Достигнутые результаты.

    По итогам работ первого этапа ПНИ составлен промежуточный отчет, в котором приводятся полученные результаты исследований.

    Таким образом, работы, предусмотренные Планом-графиком, выполняются в соответствии с Техническим заданием.

    6. Поддержка проекта Индустриальным партнером
    Радар

    Индустриальным партнером - ОАО НПП «Радар ммс» была разработана техническая документация на изготовление испытательного оборудования и стендов, изготовлены макетные образцы акустических модемов. Совместно с Индустриальным партнером были проведены их натурные исследования и сравнение с промышленным образцом - гидроакустическим модеме связи компании EVOLOGIC GmbH.

    В результате исследований влияния эффектов многолучевого распространения сигналов и реверберации на погрешность позиционирования и помехоустойчивость времяимпульсного метода модуляции подтвердили возможность его использования для целей подводного позиционирования и передачи небольших объемов информации от измерительных датчиков с высокой надежностью и энергетической эффективностью.