Навигация под водой: пеленгуй — не пеленгуй, обречен ты на успех

    Первая коммерчески доступная отечественная подводная акустическая навигационная УКБ-система


    Мы не теряем темп. C момента публикации нашей предыдущей статьи Подводный GPS: продолжение прошло почти целое лето и сегодня я расскажу, чем мы занимались все это время.

    В первой статье про наш подводный GPS мы делали краткий обзор существующих систем позиционирования и подводных акустических в частности.

    Под катом я расскажу о том, как мы сделали ультракороткобазисную систему.

    Итак, в 2015-ом году мы зареклись когда-либо заниматься УКБ (USBL — ultrashort base-line) системами. Суть данных систем в наличии источника сигнала (маяк-ответчик, например) и антенны, определяющей направление прихода сигнала. Фазированная антенная решетка или попросту: пеленгационная антенна.

    Многие все наши пользователи так или иначе высказывались об относительном неудобстве процедуры расстановки буев, и того, что координаты вырабатываются “внизу” (как в нашем подводном GPS).
    Иногда всегда хочется прикрутить к позиционируемому объекту (водолазу или ТНПА/АНПА) маячок и определять местоположение относительно надводного пункта управления (катер, пирс и т. п.) опуская в воду USBL-антенну. С точки зрения простоты развёртывания — это самая удобная и простая система. например, упомянутый в нашей первой статье MicronNAV — это типичная USBL-система, а также вот эта. Печально известный сказочный NaviMate по идее тоже планировался как УКБ-система: один плавучий буй должен пеленговать водолазов, вычислять их абсолютное местоположение и передавать его им обратно.

    Пеленгационная антенна штука довольно распространенная. Так, например, у подводных лодок есть конформные антенные решетки, содержащие тысячи отдельных преобразователей. Конечно, нельзя сказать, что до нас УКБ систем в РФ никто не делал. Однако, насколько нам известно, наша является первой отечественной системой, доступной коммерчески (и вообще самой доступной!).

    Но ничего в этой вселенной не бывает бесплатно. За удобство приходится платить. Как говорит наш коллега, разработавший алгоритм работы системы пеленгования и являющийся автором прошивки пеленгационной антенны:
    “Пользователь УКБ будет радоваться простоте развертывания…. первые 10-15 минут. Как раз столько, сколько бы потребовалось для расстановки буев длиннобазисной системы на акватории”.

    Дело в том, что ошибка в оценке времени прихода на 1-2 метра в длиннобазисной системе особой погоды не сделает, поскольку ± 1 метр вполне допустимая ошибка в задачах позиционирования водолазов или роботов.

    Ошибка же в определении “первого” или “прямого” луча, в случае УКБ системы, приведет к определению направления прихода какого-то отражения (или суммы отражений — “лучей”), а прийти оно может откуда угодно, все зависит от конкретной акватории. Особенно сильно это сказывается на определении вертикального угла. Поймать отражение от поверхности или ото дна и вот уже у вас разброс значений в диапазоне 90 градусов, а это так себе система навигации.

    В современных системах (и в нашей тоже) вертикальный угол не учитывается. Вместо этого маяк-ответчик имеет встроенный датчик глубины и может по запросу пеленгационной антенны передавать свою глубину. Дальше, зная разность глубин и наклонную дальность, дистанция по поверхности определяется тривиально из теоремы Пифагора.

    Плюс ко всему отдельно стоит задача позиционирования самой антенны. Будучи спущенной на кабеле с судна обеспечения или с пирса, ее болтает и крутит волнами и течением. Соответственно, если угол прихода сигнала определяется в системе координат антенны, а она нестабильна, то эта нестабильность переходит в вычисляемое местоположение позиционируемого объекта.

    Часто для избежания подобных проблем антенну крепят на штанге. Мы тоже так делаем, хотя наша антенна и имеет встроенный AHRS.

    Мы назвали свою систему Zima. в ближайшее время планируем выпустить улучшенный вариант под названием Zima blizko

    Наша система состоит из самой пеленгационной приемопередающей антенны Zima-B(ase). Ее видно на фото ниже.


    Рисунок 1 — Zima-B — пеленгационная антенна, закрепленная на штанге

    И маяков-ответчиков Zima-R(esponder), которые могут быть как автономными, комплектующимися батарейным блоком (как на фото), так и сопрягаемыми с носителем.

    В этом случае пользователю становятся доступны все наши нововведения и приятности:
    — возможность передачи до 32 команд телеуправления
    — взаимное измерение дистанции до пеленгационной антенны
    — передача азимута на базовую станцию (если на носителе есть прибор, определяющий направление на север — компас в простонародье)

    Маяк-ответчик в том же форм-факторе, что и наш приемник подводного GPS — RedNODE. Как уже упоминалось, он имеет встроенный датчик давления/температуры на диапазон 0-30 Бар и позволяет получить точность до 0.05 м по глубине и до 0.1 градуса по температуре. Антенна, кстати, тоже снабжена таким же датчиком, потому что измерять глубину по кабелю это как-то не инновационно.


    Рисунок 2 — Zima-R — маяк ответчик (с батарейным блоком)

    Генеральное тестирование системы мы проводили 3 августа этого года на реке Пичуга в Волгоградской области, рядом с местом, где она впадает в волгоградское водохранилище. Это наш любимый “полигон”, все ямки и элементы профиля знаем в лицо.

    В конце июля и начале августа обычно стоит очень жаркая погода. На водоемах появляется прогретый верхний слой (возникает термоклин), вода начинает цвести, вообщем, условия становятся непростыми. Как раз в таких и нужно проводить тестирование оборудования. Ведь никого не интересуют характеристики, полученные вами в идеально заглушенном измерительном бассейне, все работают в реальных водоемах.

    Фото рабочего момента для атмосферности:


    Рисунок 3 — Engineering Director, Chief USBL system designer, R&D Director (слева направо) =)

    Одна антенна может работать с 23 ответчиками (хотя мне сложно представить такую задачу, но все же). Маяки разделяются кодово, а работа с каждым из них происходит последовательно.

    На следующей картинке показан скриншот хоста (пультового ПО):


    рисунок 4 — скриншот хоста USBL системы Zima

    Антенна подключается к ПК через переходник UART-USB. По традиции мы применяем NMEA0183-подобный (открытый) протокол и все исходники хостов открыты на гитхаб.

    Обратите внимание: на скриншоте видно, что маяк находится на глубине 5.5 метров, температура воды по его датчику — 26.1°С(!), а на самой антенне, которая висит в полутора метрах от поверхности — 32.3°С (КАРЛ!), при глубине места в этом районе порядка 15-20 метров.

    Из внешних настроек системе нужна только соленость (из которой по показаниям глубины и температуры определяется скорость звука) и максимальная дистанция (по ней вычисляется максимальное время ожидания ответа маяка). По нашему методу (на который ожидается патент) маяк тоже может определять дистанцию до антенны и поддерживает функции удаленного задания солености воды с базовой станции.

    Ну и наконец самое ценное, что мы получили в этом эксперименте (кроме загара) — 7-ми минутное видео (захват экрана) работы хоста:

    ZimaHost — video

    Поясню, что маяк был зафиксирован неподвижно — растянут между якорем и буйком, а антенна, закрепленная на штанге, свешивалась с борта (резиновой) лодки. Относительность движения, так сказать, на лицо: маяк совершает стремительный круг почета радиусом 100 с лишним метров, что на самом деле вызвано вращением лодки и, следственно, антенны.

    Нам всегда есть, что рассказать. Если что-то показалось непонятным или плохо раскрытым — милости просим в комментарии. Я и мои коллеги разложим все по полочкам.

    P.S. На этих испытаниях мы проверяли не только систему Zima, но и несколько других интересных гаджетов, о которых я постараюсь написать, как можно раньше.

    Вас ждут:

    • голос президента через 700 метров цианобактерий
    • чемоданчик для призыва водолазов
    • картинка-загадка (прямо сейчас!)

    Попробуйте угадать по фото что это за прибор и зачем он нужен:

    Картинка-загадка

    Поделиться публикацией
    Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

    Зачем оно вам?
    Реклама
    Комментарии 28
    • +1
      Поясню, что маяк был зафиксирован неподвижно — растянут между якорем и буйком, а антенна, закрепленная на штанге, свешивалась с борта (резиновой) лодки. Относительность движения, так сказать, на лицо: маяк совершает стремительный круг почета радиусом 100 с лишним метров, что на самом деле вызвано вращением лодки и, следственно, антенны.

      А нельзя как-то антенну «загироскопить»?

      На картинке мне кажется джойстик в непромокаемом исполнении.
      • 0
        Антенна имеет встроенный AHRS, но его характеристики далеки от желаемых. Лодкой мы крутили специально — чтобы получить гладкий график изменения угла.

        Про джойстик не совсем понял если честно)
        • +1
          Про джойстик не совсем понял если честно)

          Мне показалось что на картинке-загадке геймпад, сверху два стика снизу две кнопки :)
          • +1
            На МВМС-2017 находились люди которые пытались эти «стики» крутить. Это четыре гидрофона — фазированная антенна решетка на самом деле. Прибор определяет направление прихода сигнала приводного маяка. Это «акустический компас» водолаза.
      • +1
        чемоданчик для призыва водолазов

        Pshyonic emitter, наверное.

        В загадке предугадываю пеленгатор, приёмник этого Pshyonic emitter-а.
        • 0
          Ну что во вы сразу всю интригу уничтожили? ))

          Да действительно, мы тестировали систему привода водолазов, устройство из загадки — наручный пеленгатор и измеритель дистанции. Про эту систему я потом напишу отдельную статью.
        • +1
          Мне нравится то, что это «коммерчески доступная» система. Но тогда желательно указать и примерные цены системы, хотя бы минимальной комплектации, и компонентов для наращивания.Или ссылку на сайт с прайсом.

          А в общем — решпект вам, и желаю успеха!
          • +1
            спасибо!

            Вроде тут не приветствуется реклама и/или коммерция в явном виде.
            Если действительно интересно — давайте запрос на hello@unavlab.com

            По цене могу сказать, что для «просто попробовать» эта штука дорога, цены измеряются сотнями тысяч рублей (но не миллионами). А вот прибор-фотозагадка будет вполне по карману дайверам (как хорошая мобила), и весьма полезен.

            По компонентам для наращивания — тут всё очень индивидуально, каких-то типовых позиций нет, и как мне кажется, быть не может. Например, фотка маяка-ответчика с батарейным отсеком — это кастомное решение для конкретного Заказчика, вот ему нужна именно такая батарейка с именно таким креплением.

            Наша сила в плавках в том и заключается, что продукт — полностью наш, и сделать мы для него можем почти всё, что позволяет бюджет Заказчика и не нарушает законов мироздания :)
            • +2
              Если действительно интересно — давайте запрос на hello@unavlab.com
              Увы, я давно уже не дайвер, и сейчас, к сожалению, вообще далёк от этого. Не надо нарушать традиции и правила, и тащить сюда коммерцию не стоит, а вот сделать простенький сайтик и выделить страничку с типовыми ценами, ИМХО, вполне можно.

              По поводу «отсутствия типовых позиций», ИМХО, вы не правы. Простейшие я могу перечислить с ходу — базовая станция с антенной, антенна базовой станции отдельно, прибор дайвера, вариант базовой станции, совмещенный с двухсторонней связью дайвер-поверхность, прибор дайвера со связью, автономный донный маяк-автоответчик, продвинутый прибор дайвера с индикацией азимута и направления на маяк-автоответчик. И комплекты базовая станция +2(3) прибора дайвера. Естественно, нет необходимости осваивать производство всего этого одновременно, но такие комплекты, ИМХО, очень пригодятся многим. И число «индивидуальных заказов» у вас тоже очень возрастёт, плюс используя серийные блоки, комплектующие и полуфабрикаты вы их сможете выполнять намного быстрее.

              Тогда, мне кажется, вам удастся перейти на серийное производство, и опустить цены. Кроме того, возможен рентный бизнес, сначала в Москве, потом в Питере и портовых/морских городах. Поймите правильно — работа на заказ, когда вы «можете почти всё, что позволяет бюджет Заказчика и не нарушает законов мироздания», но серийный выпуск того, что вами уже разработано даст совсем другое количество заказов. Впрочем, это, наверно, уже оффтопик.
              • +1
                По поводу «отсутствия типовых позиций», ИМХО, вы не правы. Простейшие я могу перечислить с ходу — базовая станция с антенной, антенна базовой станции отдельно, прибор дайвера, вариант базовой станции, совмещенный с двухсторонней связью дайвер-поверхность, прибор дайвера со связью, автономный донный маяк-автоответчик, продвинутый прибор дайвера с индикацией азимута и направления на маяк-автоответчик.


                В таком акцепте — конечно же есть типовые позиции. Я больше о том, что каждому (вот буквально!) требуется что-то нетиповое. То есть комплект есть, но именно базовый, типовой комплект — это одна из пяти продаж.

                Тогда, мне кажется, вам удастся перейти на серийное производство, и опустить цены.


                Мы не видим в этом никакого смысла. Рынок очень узкий. Я наполню его со средним чеком 750 тыс так же, как и со средним чеком 250 тыс.

                Кроме того, возможен рентный бизнес, сначала в Москве, потом в Питере и портовых/морских городах.


                Это да, эта услуга уже есть. Если всё сложится — в начале следующего года будет первая аренда за рубеж ))
                • 0
                  Мы не видим в этом никакого смысла. Рынок очень узкий. Я наполню его со средним чеком 750 тыс так же, как и со средним чеком 250 тыс.
                  Но придёт кто-то со средним чеком 50 или 100, и отберет у вас и этот рынок, но ещё и снимет сливки с массового.

                  Не верю в узость рынка. Просто пока вы нацелены на малое число профессиональных пользователей. Дайверов — миллионы.
                  • +1
                    Но придёт кто-то со средним чеком 50 или 100, и отберет у вас и этот рынок, но ещё и снимет сливки с массового.


                    Не вопрос, пусть приходят. Sonardyne, например, смеётся в лицо всем нам, имея средний чек на УКБ позиционирование в районе $150 000. Уже много лет причём.

                    Не верю в узость рынка. Просто пока вы нацелены на малое число профессиональных пользователей. Дайверов — миллионы.


                    Для миллионов дайверов нужно немного другое устройство (его фотка как раз есть в заметке).
                    Оно сразу будет стоить меньше 100 000 руб. в розницу. Завтра как раз очередные испытания, если всё пойдёт гладко — в сентябре встречайте в магазинах страны :)

                    А для профессиональных юзеров нужны Zima и RedNODE/RedNav. И они будут только дорожать.
                    • 0
                      Sonardyne, например, смеётся в лицо всем нам, имея средний чек на УКБ позиционирование в районе $150 000. Уже много лет причём.
                      Как я понимаю, это высшая лига и оснащение спасательных судов и водолазных комплексов. Вероятно такое стоит сейчас здесь и здесь. Попасть туда вы, вероятно, сможете только если потребуется импортозамещение, желаю успеха, без сарказма.
                      • +1
                        Я, собственно, для этого и привёл пример.
                        Даже когда есть мы с ценником 750 т.р. — есть Сонардайн. И надеяться на то, что мы у них сколь-либо существенную долю отъедим — это вряд ли.

                        Такая же история с «изделиями по 300».
                        На создание работающей навигации, даже если ты до этого умудришься свистнуть всю математику (что вряд ли) требуются человеко-года. Не говоря уже о стоимости материалов — при всей компактности эта стоимость не равна нулю, мягко говоря.

                        На самом деле навигационные приборы по 2-3 тыщи долларов уже есть, я лично знаю пару компаний (не в РФ, правда). Но там есть существенные ограничения, что помещает их в свою нишу, мало пересекающуюся с нашей.

                        Ну а так да, хочется быть, как Сонардайн ))
                        Работаем над этим.
                        • 0
                          Даже когда есть мы с ценником 750 т.р. — есть Сонардайн. И надеяться на то, что мы у них сколь-либо существенную долю отъедим — это вряд ли.
                          Даже в этом случае у вас есть свой заказчик, которому цены Sonardyne не по зубам. Ну, или вояки, которым нужна отечественная техника, но у которых своих требований выше крыши. При всей моей неприязни к военной технике это ваш рынок, и это тот случай, который я могу только приветствовать.

                          На создание работающей навигации, даже если ты до этого умудришься свистнуть всю математику (что вряд ли) требуются человеко-года. Не говоря уже о стоимости материалов — при всей компактности эта стоимость не равна нулю, мягко говоря.
                          С этим согласен, но, как я понимаю, это для вас уже пройденный этап. Поэтому моё ИМХО, что там есть сегменты не охваченного вами рынка. Как пример — визуализация трала или рыбацкой сети, или других орудий лова для рыбаков, если совместить её с данными эхолота или сонара…

                          На самом деле навигационные приборы по 2-3 тыщи долларов уже есть, я лично знаю пару компаний (не в РФ, правда). Но там есть существенные ограничения, что помещает их в свою нишу, мало пересекающуюся с нашей.
                          И здесь легко могут сработать в вашу пользу санкции, так как поставка такого оборудования вполне может попасть под них. ИМХО, я бы посмотрел и в эту сторону тоже.
                          • 0
                            Спасибо за добрые слова, вы совершенно правы во всём.

                            Отмечу только, что работа с военными имеет свою специфику, которая нам не очень нравится, поэтому мы стараемся Родине пользу приносить на ниве помощи строителям, учёным, экологам и другим невоенным категориям работающих под водой.
                            • 0
                              По этому поводу мне остаётся только полностью согласиться. К военной специфике современной России у меня такое же отношение.

          • –1
            Уже начал думать, что в родном Волгограде появилось хоть что-то стоящее, а нет. Зашел на сайт компании, а там шрифты как будто школьник на аутсорсе делал, думаю: «ладно, ребята же инженеры, не веб-разработчики», но блин… жки сегментные в 2017-м?image
            Тот же oled или amoled были бы дешевле и лучше значительно.

            P.S. а фото внутренностей железок будут? И если расскажите о герметизации электронных блок — будет явный плюс к карме от многих.
            • +1
              Ви таки имеете предложить нам что-то полезное?

              Вы когда-нибудь сравнивали видимость OLED/AMOLED экранов с вот таким вот простым сегментным ЖКИ в яркий солнечный день, когда когда на экран падают прямые солнечные лучи? Думаю, что нет, иначе промолчали бы)
              К тому же, это устройство делалось для конкретного заказчика и под его требования (встраивается в пульт управления). Руководителю спусков некогда рассматривать красивости на крутом экране, зато есть необходимость быстро увидеть две-три цифры. Причем увидеть их в любую время суток и при любой погоде, что данный экран обеспечивает полностью.
              По цене Вы тоже не правы.
              Собственно, считаю Вашу претензию бессмысленной)

              А по поводу сайта, да, нам действительно некогда его доделать.
              • 0
                Не поверите, но сравнивал)) И амолед качественно лучше ведет себя на солнце, а с пленочным фильтром наличие солнца вообще не будет сказываться.
                Для «пультов управления» уже есть специализированные HMI и с достаточно адекватной стоимостью, например, у Сименса. Насколько я понимаю от данных устройств зависят жизни людей, а когда заказчик хочет дешевых каках — задача разработчиков (вернее PM-ов) убедить их в необходимости сделать хорошо.

                Кстати если действительно 2-3 цифры, то почему не светодиодные с повышенной яркостью + фильтр? В задачах где не надо кино на солнце показывать вроде ничего лучше не придумали.

                P.S. я претензий не предъявлял, их обычно пользователи выдвигают)) Это скорее мысли в слух, ведь статьи тут публикуют ради обсуждения.
                • +1
                  Из ответа так и не понял чем плох сегментный экран и как его замена положительно повлияет на надёжность прибора?
              • –2
                Вы серьезно?

                В родном Волгограде сделали (первые в мире!) подводный GPS: https://geektimes.ru/post/289159/, и еще кучу девайсов, которых до нас никто не делал.

                Вы же привязались к устройству, которое было сделано чисто по заказу. Ваш пост — оффтоп. Откуда столько страданий в словах?
                • 0
                  Какой-то прелести в подводном GPS не удалось увидеть, да и про «первые в мире» это вы тоже загнули, подобное решение есть уже года 3-4 как у Ингортеха, просто сделано не для водолазов. Думаю если уж Ингортех сделал, то и в других странах подобные решения есть.

                  P.S. и как кстати узнали, что вы первые в мире такое сделали? Интересен процесс анализа рынка.
                  • –2
                    В статье подробно описано про «первые в мире» — как, почему, в чем отличия и пр., продукт ингортеха — это не то, от слова «совсем». «Думаю что» — слабая позиция.
                    Удачи вам.
                    • –1
                      В чем был смысл статьи? Интересна с технической точки зрения она не вызывает, на вопроса товарища выше не ответили, только ради пиара? В данном случае это больше похоже на анти-пиар.
                      • +1
                        На данный момент, вопросов по теме статьи от гражданина не прозвучало, но возник наезд не по теме. И похоже, что он себя исчерпал.

                        А, да, один вопрос пропустили. Про герметизацию. С ней, в данном случае всё просто, поскольку прибор полностью залит в компаунд.
                        • 0
                          Товарищ нашел на сайте прибор, который был сделан по конкретному заказу, практически было указано из чего нужно было собрать. К теме статьи он не относиться совершенно. На что и был дан ответ. Ссылка на прибор ингортеха вскрывает сильные пробелы в понимании предметной области.
                          Его выводы основаны на некорректном сравнении двух совершенно разных систем и основанных на этом сравнении предположений.

                          На вопрос как узнали я дал ссылку на первую статью, где подробно описана проблема, рассмотрены различные попытки которые предпринимались различными группами по всему миру (в т.ч. дана ссылка на работы DARPA) ее решить. Их плюсы и минусы. А гражданину не понравился ЖК-экран на каком-то побочном продукте.

                          Смысл этой статьи — кратко рассказать, что мы вполне успешно замещаем не производящиеся в РФ решения для весьма узкой области техники, там, где требуется подводная навигация. На сегодняшний день в РФ буквально отсутствуют коммерчески (и граждански) доступные средства гидроакустики (навигации и связи). Многие люди даже не подозревали что есть в принципе такая проблема — что радиосвязь в воде не работает.

                          Так что же вас не устраивает? Почему не вызывает интереса с технической точки зрения? Вы часто работаете с гидроакустическими системами? Знаете тонкости и отличия УКБ/ДБ? Почему больше похоже на антипиар? С каких пор делать что-то новое и полезно для людей стало неинтересным и «анти-пиарным»?
                  • +1
                    ко-ко-ко ко-ко-ко


                    Понятно, опять дизайнеры и мастера СММ в чате.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.