SYSTEMY POZYCJONOWANIA I NAWIGACJI PODWODNEJ

PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO nr 17 AKADEMII MORSKIEJ W GDYNII 2005 GRZEGORZ RUTKOWSKI Katedra Nawigacji SYSTEMY POZYCJONOWANIA I NAWIGACJI PODWODNEJ Człowiek już od zarania dziejów prowadził i nadal prowadzi szczegółowe badania i obserwacje różnych zjawisk, znaków i sygnałów docierających z głębi Ziemi, wody, powietrza i kosmosu, aby wykorzystując zdobytą w ten sposób wiedzę i doświadczenie, stworzyć nową technologię, a w szczególności technologię wspomagającą proces pozycjonowania oraz prowadzenia nawigacji pod wodą. Pod pojęciem pozycjonowania rozumiemy proces określania pozycji obiektu przeprowadzony w celu ogólnego zorientowania się, gdzie znajduje się interesujący nas obiekt. W szerszym znaczeniu proces pozycjonowania obejmuje działania prowadzone w celu utrzymania obiektu na wyznaczonej pozycji, kursie lub wewnątrz ustalonej wcześniej przestrzeni (obszaru). W takim znaczeniu pojęcie to funkcjonuje w opisie znanych nam systemów dynamicznego pozycjonowania statków DP (Dynamic Positioning System), w których komputerowe systemy pozycyjne poprzez aktywne działanie na napęd oraz stery strumieniowe obiektu utrzymują go na wyznaczonej pozycji, kursie lub wewnątrz ustalonej wcześniej przestrzeni (obszaru). Tak zdefiniowaną przestrzeń (obszar) określa się często mianem domeny obiektu lub strefą jego bezpiecznego działania. Przez nawigację rozumiemy natomiast proces kierowania ruchem obiektu z punktu wyjścia do punktu przeznaczenia. Nawigacja odpowiada nam zatem na pytania, nie tylko gdzie znajduje się interesujący nas obiekt, ale również dokąd obiekt ten zmierza oraz jak obiektem tym pokierować, aby w efekcie przeprowadzić go od ustalonego punktu wyjścia do założonego celu (punktu przeznaczenia). Jeżeli działania wynikające z procesu nawigacji przebiegają na lądzie, to wówczas określane są często mianem nawigacji lądowej. Jeżeli działania takie przebiegają na morzu, to wówczas mówimy o nawigacji morskiej, jeżeli w powietrzu to o lotniczej, jeżeli zaś pod wodą jest to nawigacja podwodna. Inne opisy nawigacji dotyczą sposobu określania pozycji obiektu oraz szacowania parametrów jego ruchu. Jeżeli zatem pozycję obiektu uzyskuje się z 121

obserwacji gwiazd lub planet, to wówczas mówimy o tzw. astronawigacji. Gdy pozycję obiektu określa się z pomiaru kąta lub odległości do innych obiektów nawigacyjnych (punktów odniesienia), to wówczas mamy do czynienia z nawigacją terestryczną. Jeżeli natomiast do określania pozycji wykorzystuje się radar, naziemne systemy nawigacyjne typu LORAN C, ARTEMIS lub systemy satelitarne typu GPS (Global Positioning System) lub GLONASS (Global Navigation Satellite System) mówimy o tzw. radionawigacji (electronic navigtion), bądź nawigacji satelitarnej lub ogólnie nawigacji opartej na elektronicznych systemach nawigacyjnych. W każdym z wyżej wymienionych wypadków dana pozycja obiektu jest pozycją bieżącą, wyrażoną z pewnym błędem pomiaru, wynikającym z przyjętej metody. Pozycje tego typu, ze względu na sposób ich uzyskiwania, nazywane są często pozycjami obserwowanymi (fix position), a sam proces nawigacji określany jest wówczas mianem nawigacji rzeczywistej (true navigation). Zaletą tej metody jest znajomość bieżącej pozycji obiektu uwzględniającej działanie wszelkich zakłóceń zewnętrznych, a w szczególności działanie wiatru, prądu i falowania. Jeżeli nawigator nie jest w stanie określić bieżącej pozycji obserwowanego obiektu, to wówczas zaczyna on prowadzić tzw. nawigację zliczeniową (dead reckoning). Nawigacja zliczeniowa polega tu głównie na zliczaniu drogi oraz kierunku przemieszczania się obiektu w przestrzeni dzięki aktualnie zmierzonym lub wcześniej ustalonym parametrom wektora jego ruchu. Uzyskiwana w ten sposób pozycja obiektu jest pozycją orientacyjną, a ponieważ obarczona jest błędami zarówno pomiaru ostatniej pozycji obserwowanej obiektu, jak i błędami zliczania czasu, prędkości, kierunku i drogi, określa się ją często mianem pozycji zliczonej lub pozycji kalkulowanej. Pozycja zliczona obiektu w porównaniu z pozycją obserwowaną jest zatem mniej dokładna, a przez to i mniej wiarygodna. Nawigacja zliczeniowa nie uwzględnia przy tym zmiany wektora ruchu obiektu wywołanej zmianą parametrów oddziałujących na obiekt zakłóceń. W przypadku nawigacji podwodnej mamy do czynienia z brakiem szczegółowych map nawigacyjnych z naniesionymi podwodnymi punktami odniesienia. Pod wodą występują również ekstremalne warunki dla ludzi, a w szczególności ograniczona widoczność do całkowitych ciemności włącznie, duże ciśnienie, duże wahania temperatury wody, jej zasolenia, zamulenia oraz gęstości w zależności od rejonu pływania (nurkowania) oraz głębokości akwenu. Pod wodą można również napotkać wpływ silnych prądów wodnych, wirów, falowania, zlodzeń oraz innych zakłóceń zewnętrznych. Wszystko to sprawia, że przyjęte i powszechnie stosowane na lądzie, w powietrzu i na morzu współczesne techniki nawigacyjne z systemem GPS włącznie pod wodą stają się nieprzydatne. Stąd główny filar nawigacji podwodnej w nurkowaniu swobodnym opiera się głównie o tradycyjne metody zliczania czasu, drogi i kierunku przemieszczania się obiektu pod wodą (rys. 1). 122

a) b) c) d) Rys.1. Akcesoria nurkowe do nawigacji zliczeniowej pod wodą: a) chronometr nurkowy, b) busola magnetyczna, c) głębokościomierz, d) konsola nurkowa TAC Diver Navigation Board wyposażona w a, b i c (Źródło: RJE International, Inc.) Na potrzeby nurków zawodowych opracowano natomiast cały szereg innych systemów i urządzeń technicznych działających pod wodą, opartych na bazie systemów akustycznych i sonarowych. Urządzenia te ze względu jednak na duży koszt ich instalacji i użytkowania stosowane są obecnie tylko przez wybrane jednostki badawcze wyspecjalizowane w pracach podwodnych, firmy nurkowe oraz specjalne jednostki wojska, policji i straży pożarnej. Dział nawigacji podwodnej i pozycjonowania w zależności od obranego celu oraz stosowanych technik pomiaru można podzielić na sześć głównych kategorii: Kategoria I Kategoria II związana z tworzeniem map podwodnych danego akwenu (area surveys), a w szczególności map dennych, map sejsmicznych, map gęstości wody, jej zasolenia i temperatury, map występującego w toni wodnej zoo- i fitoplanktonu, map zarybienia wód, map występujących tam surowców i złóż mineralnych; związana z tworzeniem map podwodnych, w tym głównie map batymetrycznych, na potrzeby eksploatacji szlaków żeglownych (route surveys) i akwenów portowych; Kategoria III związana z przeprowadzaniem inspekcji podwodnych (underwater surveys & inspections) obiektów pływających, zatopionych lub osadzonych na dnie, np. serwis wież wiertniczych, nabrzeży portowych, zatopionych kabli i rurociągów; Kategoria IV związana z lokalizacją zatopionych obiektów (target location), np. lokalizacja wraków, min, zatopionych kabli i rurociągów; Kategoria V związana z pozycjonowaniem (positioning), np. obsługa wież wiertniczych z wykorzystaniem pojazdów podwodnych typu ROV (Remotely Operated Vehicle), UUV (Unmanned Underwater Vehicle) i AUV (Automated Underwater Vehicle); 123

Kategoria VI związana z pomiarami statycznymi (static measurements) oraz inną działalnością człowieka pod wodą. Dla nurków zawodowych i firm specjalizujących się w pracach podwodnych szczególne znaczenie odgrywają sektory działalności ludzkiej pod wodą związane z serwisem i inspekcją wież wiertniczych, nabrzeży portowych, zatopionych kabli i rurociągów, serwisem szlaków żeglownych i akwenów portowych, lokalizacją zatopionych obiektów, obsługą systemów dynamicznego pozycjonowania oraz asekuracją różnych jednostek badawczych, w tym jednostek sejsmicznych i geologicznych. Podobnie jak system GPS na powierzchni, tak systemy oparte na Rys.2. Akustyczny system nadawczo-odbiorczy do nawigacji podwodnej (Źródło: RJE International, Inc.) akustyce i sonarach stanowią dziś główny filar zawodowej nawigacji podwodnej i pozycjonowania. Systemy sonarowe (rys. 2, 3 i 4) wysyłają w środowisku wodnym fale dźwiękowe wysokiej częstotliwości i rejestrują drgania fali odbitej od obiektu. Sonary przestrzenne umożliwiają określenie pozycji nurka (obiektu) w toni wodnej oraz zorientowanie go względem określonych wcześniej punktów referencyjnych (reference points for navigation) lub linii bazowej (baseline station). Linia bazowa może być umieszczona na wodzie (np. na pływającej boi), osadzona na dnie, przymocowana do pontonu, łodzi, pojazdu podwodnego ROV lub nurka. Rys.3. Przenośny wodoszczelny sonar DSL (Diver Locator Sonar) przeznaczony dla nurków do lokalizacji zatopionych obiektów oraz określania pozycji nurka poprzez pomiar kąta i odległości od źródła fal akustycznych.(źródło: RJE International, Inc.) System długiej linii bazowej (LBL Long Baseline) składa się z trzech lub więcej przekaźnikowych stacji liniowych umieszczonych na zewnętrznych granicach obszaru działania nurka lub pojazdu ROV pod wodą. Stacjami przekaźnikowymi są tu zazwyczaj cylindryczne boje z układem nadawczoodbiorczym zakotwiczone na dnie akwenu lub umieszczone na powierzchni 124

wody. Pozycja śledzonego obiektu podawana jest wówczas zawsze względem stacji przekaźnikowych. Rys.4. Transponder akustyczny TLT-1 oraz transponder akustyczny z dołączonym zewnętrznym przekaźnikiem sygnału TLT-2(Źródło: RJE International, Inc.) W systemach krótkiej linii bazowej (SBL Short Base Line) punktami odniesienia są anteny sonarowe umieszczone na jednostce pływającej. W tym wypadku pozycja nurka lub ROV pod wodą określana jest względem jednostki pływającej na podstawie pomiaru odległości do poszczególnych stacji przekaźnikowych. Systemy SBL są obecnie najbardziej rozpowszechnionymi systemami służącymi do nawigacji podwodnej i pilotowania pojazdów ROV. Rys. 5. Autonomiczny sytem nawigacyjno-rozpoznawczy Cobra-Tac korporacji RD Instruments działający niezależnie od instalacji akustycznych boi przekaźnikowych lub transponderów (Źródło: RJE International, Inc.) W systemach ultrakrótkiej linii bazowej (USBL Ultra Short Base Line) stacją przekaźnikową jest zanurzony przy burcie statku metalowy pręt z wmontowanym układem nadawczo-odbiorczym. Pozycja nurka (obiektu) pod wodą określana jest wówczas również względem jednostki pływającej, lecz na postawie pomiaru kąta i odległości do pojedynczej stacji przekaźnikowej. W systemach USBL wykorzystuje się pojedyncze impulsy akustyczne ukierunkowane na jedną stację referencyjną. Dokładność systemu USBL w porównaniu z systemami SBL i LBL jest jednak nieco gorsza. 125

Rys. 6. PCM-100 Diver Tracking System zaprojektowany przez korporację Desert Star Systems. System umożliwia śledzenie, kontrolę ruchu oraz monitoring do siedmiu nurków w wodzie (Źródło: RJE International, Inc). Firma Desert Star Systems z USA oferuje podwodny system nawigacyjny AquaMap z cyfrowym modułem zapisu danych (mierzonych i obserwowanych), w którym wykorzystując technologię sonarową, wyeliminowano potrzebę pomiaru linii bazowej oraz zredukowano wpływ zakłóceń dennych (bottom time), uzyskując w efekcie dokładność pomiaru rzędu kilku decymetrów (P = 95 %) nawet przy wzburzonym morzu i ograniczonej widoczności pod wodą. Komputerowy system zapisu informacji w AquaMap umożliwia użytkownikom bezpośredni przekaz danych do modułu odpowiedzialnego za tworzenie cyfrowych map dennych akwenu 3-D oraz systemowych baz danych zapewniających szybką obróbkę informacji oraz odpowiednią ich analizę dostosowaną do potrzeb nurka. System AquaMap pozwala na pomiar akwenu o wymiarach 500 m na 500 m w stosunkowo krótkim czasie i jednocześnie zapewnia niezależny przekaz informacji bezpośrednio do komputera. Dla porównania tradycyjne metody mierzenia, przeszukiwania, sondowania oraz tworzenia map podwodnych akwenu polegały jak dotąd głównie na systematycznym sprawdzaniu dna akwenu przez grupę nurków płynących tuż nad jego powierzchnią wzdłuż określonej linii bazowej (metoda tras równoległych) lub wokół ustalonego wcześniej punktu odniesienia (metoda powiększającego się okręgu) rys. 7. Linię bazy wyznaczano przez rozłożenie na dnie akwenu liny pomiarowej, punkt odniesienia zaś określano od zatopionej na dnie kotwicy lub oznaczonej boi. Metoda tradycyjna była więc czasochłonna, mało dokładna, uciążliwa, a wyniki pomiarów mierzone i przekazywane pod wodą uzależnione od aktualnej głębokości nurkowania, rodzaju dna, przejrzystości wody, wprawy i doświadczenia nurków oraz ich aktualnej kondycji psychicznej i fizycznej. W systemie AquaMap nurek posiada przenośne urządzenie z czarnobiałym wyświetlaczem nawigacyjnym LCD sterowanym przez przyciski funkcyjne modułu nadawczo-odbiorczego danych nawigacyjnych, mierzonych i obserwowanych. Stacja nurkowa kontroluje nurka pod wodą, znając jego 126

aktualną pozycję, głębokość nurkowania oraz zapas jego powietrza w butli. System wykorzystując główny wyświetlacz nawigacyjny (general navigation screen) informuje nurka gdzie i w jakim kierunku dalej ma zmierzać, precyzyjny wyświetlacz nawigacyjny (precision navigation screen) informuje go o jego aktualnej pozycji pod wodą, wyświetlacz funkcyjny modułu zapamiętywania danych (observation recording screen) służy zaś do zapisywania w pamięci komputera aktualnie mierzonych parametrów nawigacyjnych. Informacje wprowadzane są automatycznie i obejmują między innymi lokalizację nurka pod wodą na mapie batymetrycznej akwenu, temperaturę wody, datę, czas, głębokość nurkowania, gęstość wody (lub jej zasolenie), a dodatkowo odległość i kierunek do każdego punktu bazowego. Dodatkową zaletą urządzenia jest możliwość przesyłania informacji elektronicznych drogą e-mail oraz bezpośrednio do nurka pracującego pod wodą (diver s hand-held station). Lina kotwiczna Oznaczona boja Kierunek przeszukiwania Stała lina denna Lina ruchoma a) Kotwica boi b) c) Lina ruchoma Rys.7. Tradycyjne metody przeszukiwania dna akwenu: a) metoda powiększających się okręgów; b) i c) metoda tras równoległych. Mniej precyzyjne urządzenia firmy Desert Star System znane pod nazwą Dive Tracker Spor,t umożliwiają nurkom indywidualnym, za stosunkowo niską cenę (około 500 USD), uzyskiwać aktualną informację o kierunku i odległości pod wodą do dowolnego oznaczonego wcześniej miejsca, boi lub punktu bazowego. Urządzenie składa się z dwóch części: modułu nadawczego, zwanego transmiterem lub transponderem (pinger transmitter) nadającego sygnały akustyczne lub impulsy sonarowe we wszystkich kierunkach pod wodą, oraz modułu odbiorczego (receiver) odbierającego te sygnały. Moduł nadawczy montuje się na boi przekaźnikowej, jednostce pływającej lub umieszcza w określonym wcześniej punkcie bazowym. Nurek wyposażony w moduł odbiorczy urządzenia obraca nim we wszystkich kierunkach pod wodą, szukając punktu, z którego odbierany sygnał będzie najsilniejszy. Wyznaczony w ten sposób punkt w przestrzeni określa nam kierunek do punktu bazowego, a moc odebranego sygnału definiuje zmierzoną do niego odległość. 127

Podobne systemy oparte na bazie tanich wodoszczelnych mikrofonów ukierunkowanych (directional hydrophone) używane są powszechnie do poszukiwania i lokalizacji zatopionych obiektów, w tym również czarnych skrzynek z wraków samolotów. Innym typem urządzeń akustycznych służących do nawigacji podwodnej i pozycjonowania są urządzenia korporacji Houston-based Nautronix. Systemy akustyczne USBL, SBL oraz LBL firmy Nautronix mają wbudowane cyfrowe procesory DSP (Digital Signal Processors), które pozwalają wyeliminować konieczność dostrajania urządzeń do częstotliwości fal odbiorczych, co zwiększa ich niezawodność oraz podnosi dokładność pomiarów. Systemy Nautronix USBL i SBL umożliwiają pomiar odległości do przekaźnikowych stacji referencyjnych z błędem określonym na poziomie ufności Rys.8. Zintegrowany system do nawigacji podwodnej AUNS-605 (Advanced Underwater Navigation System) firmy Oceana s P = 95% od 0,001 do 0,005 wartości mierzonej odległości. Akustyczny system pozycyjny Nautronix s RS5D SBL zlicza przestrzenną pozycję transpondera (radiopławy subsea beacon) przez systematyczny pomiar odległości do kilku czujników akustycznych, tzw. hydrofonów (hydrophones). Czujniki te, rozlokowane na jednostce pływającej w pewnych odległościach, tworzą tam konfigurację systemu SBL. Transponder umieszczony na ROV lub utrzymany przez nurka pod wodą wysyła impulsy akustyczne. Impulsy te po dotarciu do hydrofonów przetworzone ponownie powracają do transpondera. Dokładny pomiar czasów, w których sygnały te powróciły z poszczególnych punktów bazowych (hydrofonów), umożliwia precyzyjne określenie przestrzennej pozycji obiektu. Pozycja określana jest zawsze względem jednostki pływającej. Kolejny produkt firmy Nautronix, oparty na bazie systemów akustycznych to urządzenie śledzące ATS II (Acustic Trackin System). Przyrząd ten wykorzystując technologię cykania (ćwierkania chirp signaling) jako formę jednego z najbardziej efektywnych sposobów przesyłania sygnałów akustycznych pod wodą, umożliwia znaczny wzrost zasięgu pracy urządzenia przy zachowaniu dużej dokładności systemu nie przekraczającej 1 m. Technologia cykania eliminuje bowiem dość znacznie zakłócenia sygnału od fal bocznych (multi-pathing effect), fal odbitych (reflection) oraz refrakcji (refraction). Firma Benthos z Massachusetts (USA) proponuje natomiast aktywne urządzenia akustyczne do nawigacji podwodnej, zliczające bieżącą odległość 128

do punktu bazowego o znanej (ustalonej wcześniej) lokalizacji. Głównym produktem firmy Benthos są transpondery akustyczne (rys. 4), służące do lokalizacji nurka lub pojazdu ROV pod wodą. Nurek (ROV) wyposażony w transponder akustyczny informuje stację nurkową (bazę) o swojej aktualnej pozycji pod wodą. W razie zagrożenia z bazy nurkowej można go szybko zlokalizować i podjąć odpowiednią akcję ratowniczą. Transponder akustyczny zamontowany na bazie nurkowej umożliwia natomiast powrót nurka lub ROV do punktu bazowego, zapewniając mu dokładność pozycjonowania w granicach 1 m. Specyficzny produkt firmy Benthos obejmuje modularny system DS-7000 Acoustic Deck Set, który może być używany zarówno do prostych funkcji sterowania, jak i skomplikowanych operacji nawigacyjnych. Transpondery serii 6000 przeznaczone są do nawigacji podwodnej oraz oznakowywania i lokalizacji obiektów hydrotechnicznych. Transponder MF-6000, pracujący w paśmie pośrednich częstotliwości, zaprojektowano w celu nawigacyjnego zabezpieczenia pojazdów ROV. Korporacja RJE International z Kalifornii (USA) specjalizuje się natomiast w dostarczaniu produktów przeznaczonych do kontroli oraz monitoringu głębinowego. Urządzenie Sub-Monitor, wyprodukowane przez Desert Star Systems i rozprowadzane wyłącznie przez RJE International, zapewnia operatorom ROV oraz osobom nadzorującym nurkowania głębokowodne możliwość ciągłej kontroli odległości, głębokości oraz namiaru na pojazd ROV lub nurka pracującego pod wodą. Obsługa techniczna urządzenia jest przy tym bardzo prosta i nie wymaga specjalistycznych kwalifikacji. Kolorowy wyświetlacz urządzenia przedstawia obszar działania do 10 pojazdów ROV i/lub nurków pod wodą z zaznaczeniem ich aktualnych pozycji odniesienia określonych względem punktów bazowych systemu SBL. System umożliwia również zapis w pamięci komputera całej trasy przejścia nurka lub ROV pod wodą w celu późniejszej jej analizy. Urządzenie zapewnia dokładność pomiaru odległości na poziomie 0,001 zakresu jego pracy przy maksymalnym zasięgu systemu dochodzącym do 1200 m (0,001 1200 m = 1,2 m). RJE International jest również wyłącznym dystrybutorem dla Datasonic s serii akustycznych systemów nawigacyjnych, takich jak Dive-Track i Mark- Trak Personal Diver Navigation Systems. Oba systemy są łatwe w obsłudze i pozwalają nurkom na szybkie znalezienie drogi powrotnej do bazy, łodzi lub innego miejsca oznaczonego transponderem. Podczas gdy Dive-Trak jest modelem standardowym, przeznaczonym dla osób zajmujących się sportowo lub rekreacyjnie nawigacją podwodną (amatorzy), to system Mark-Trak w wersji profesjonalnej przeznaczony jest dla wojska, jednostek SAR oraz specjalistycznych firm nurkowych. W urządzeniach tych, w celu zwiększenia dokładności pomiarów nawigacyjnych, RJE dołącza transpondery nurkowe Datasonics DRI-267 (Diver Operated Transponder Interrogator) przekazujące nurkom informacje o odległości i namiarze na każdy z siedmiu punktów 129

bazowych oznaczonych przez akustyczne transpondery UAT-376 (acoustic transponders). Korporacja ORE International specjalizuje się w akustycznych systemach śledzących USBL dla wszystkich użytkowników. Trackpoint II jest urządzeniem przenośnym, zapewniającym dobrą dokładność pomiaru, informacje o pozycji względnej obiektu (określonej względem przyjętych punktów bazowych) oraz rzeczywistej (określonej np. z systemu GPS w przyjętym światowym geodezyjnym układzie odniesienia WGS84) i jednocześnie umożliwiającym śledzenie do sześciu obiektów pod wodą, z których każdy może stanowić oddzielne źródło danych telemetrycznych. Trackpoint II dostępny jest na rynku od wielu lat i zyskał już renomę profesjonalnego urządzenia do nawigacji podwodnej i pozycjonowania. Powszechnie wykorzystywany jest też w wojsku oraz firmach nurkowych specjalizujących się w pracach głębokowodnych, inspekcjach kabli, rurociągów, wież wiertniczych, platform. Stosowany jest również przy nawigacji podwodnej i pozycjonowaniu pojazdów ROV, łodzi podwodnych, nurków klasycznych i płetwonurków. W skład systemu Trackpoint II wchodzi powierzchniowy komputerowy system kontrolny, pojedynczy hydrofon, który musi być zamocowany poniżej poziomu łodzi, wodoszczelny kabel łączący poszczególne elementy oraz akustyczne transpondery śledzące (acoustic tracking beacons). Operator na powierzchni łodzi śledzi na kolorowym wyświetlaczu LCD cały akwen objęty kontrolą systemu. Lokalizacja nurków oraz innych obiektów pod wodą zobrazowana jest w postaci jasnych graficznych symboli. Operator na bieżąco może więc odczytywać odległość i namiar z punktu bazowego (łodzi nurkowej) do każdego nurka i/lub obiektu pod wodą oraz bieżący namiar i odległość pomiędzy każdym z nurków i/lub dowolnym obiektem pod wodą. Trackpoint II zapewnia dokładność pomiaru odległości na poziomie 0,5% mierzonej wartości, przy czym dokładność ta uzależniona jest od przyjętej w odbiorniku wartości prędkości rozchodzenia się dźwięku w wodzie oraz wprowadzonej do odbiornika wartości określającej jej aktualne zasolenie. Inną korporacją specjalizującą się w sprzedaży urządzeń do nawigacji podwodnej i pozycjonowania jest Rentec International. Firmowe produkty tej korporacji to między innymi Trimble Navigation, Schonstedt Instrument Company, Omnistar DGPS System i inne. Trimble Navigation oferuje nawigacyjne systemy pozycyjne o zasięgu globalnym, w których wykorzystano technologię DGPS (Differential Global Positioning System) wzbogaconą o moduł nadawczo-odbiorczy akustycznych podwodnych systemów nawigacyjnych. Urządzenia Trimble Navigation zapewniają dokładność pozycji obiektu na poziomie 1 m (P = 95%). Omnistar gwarantuje im przekaz poprawek różnicowych do GPS na terytorium USA oraz w obrębie ich wód przybrzeżnych. Schonstedt Instrument Company, reprezentowana przez Rentec, oferuje natomiast urządzenie Gau-20 do 130

lokalizacji osadzonych w dnie, zapiaszczonych lub zamulonych obiektów metalowych, takich jak kotwice, łańcuchy, rury i kable. Produkty nawigacyjne i pozycyjne firmy DigiCOURSE, należącej do Laitram Corporation zawierają systemy i transpondery akustyczne DigiPOINT wraz z oprogramowaniem DigiFIX. System wspomaga lokalizację sprzętu podwodnego oraz zabezpiecza nawigację nurków i ROV pod wodą względem przyjętych punktów odniesienia. System przedstawia plan rozmieszczenia urządzeń i obiektów hydrotechnicznych na mapie podwodnej akwenu z wyszczególnieniem bieżących wartości mierzonego kąta (namiaru) i odległości do poszczególnych elementów tej infrastruktury. System SNAP (Sonic Navigation and Positioning System) z firmy Imetrix jest precyzyjnym, przesyłowym systemem nawigacyjnym krótkiego zasięgu, który może być używany do nawigacji i śledzenia obiektów podwodnych, takich jak ROV lub nurek. SNAP może być używany w nieprzyjaznych warunkach środowiskowych i otoczeniu, np. w zatopionych jaskiniach, metalowych zbiornikach itp., zapewniając przy tym użytkownikom ciągłą pozycję obserwowaną (uaktualnianą 10 razy na sekundę) uzyskiwaną z dokładnością pomiaru do ± 2 cm, przy maksymalnym zakresie pracy urządzenia do 100 m. Systemy SNAP wykorzystywane są głównie przy przeprowadzaniu prac podwodnych, pomiarów, inspekcji kadłubów statków, zapór, platform, wież wiertniczych, kabli i rurociągów, wspomagają sterowanie pojazdami ROV, umożliwiają rejestracje danych oraz lokalizację sprzętu podwodnego. Firma brytyjska Applied Acoustic Engineering na potrzeby nawigacji podwodnej oferuje różnorodne radiopławy i boje akustyczne, współdziałające z większością systemów USBL, włączając produkty firmy ORE i Simrad. Ponieważ wiele statków posiada już na swoim wyposażeniu systemy USBL, producent wytwarza transpondery kompatybilne z innymi systemami. Podwodne sonarowe radiopławy tej firmy mogą być umieszczane zarówno na obiektach stałych, jak i poruszających się. Akustyczne transpondery podwodne są również specjalnością firmy ITC (International Transducer Corporation) z USA. Zabezpieczenie nawigacyjne nurków oraz pojazdów ROV pod wodą oparto głównie o system sonarów bocznych (side-scan sonar) oraz sonarowe systemy przeszukiwania czołowego (forward looking sonar) zapewniające użytkownikom bardzo dużą dokładność pomiarów. Inny system nawigacyjny dla nurków to produkt firmy Edge Tech PS8000 oparty o technologię systemów długiej linii bazowej (LBL). PS8000 jest wielokanałowym akustycznym urządzeniem nadawczo-odbiorczym przeznaczonym do precyzyjnego pozycjonowania na dużych głębokościach. PS8000 może pracować jako stacja główna (master), pomocnicza (slave) lub w trybie pasywnym (passive modes). System w normalnej wersji oferowany jest do pracy na głębokościach w przedziale od 2000 do 6000 m. Zakres jego pracy 131

można jednak zmienić według potrzeb użytkownika. Urządzenie to stosowane jest w akcjach poszukiwawczo ratowniczych, w nawigacji podwodnej i pozycjonowaniu. Wykorzystywane jest przez nurków, pojazdy ROV, UUV (Unmanned Underwater Vehicle), AUV (Automated Underwater Vehicle), łodzie podwodne oraz jednostki nawodne DP. System zapewnia dokładność określonej pozycji obiektu w toni wodnej na poziomie 1 m (P = 95%). W produkcji nawigacyjnych sonarów bocznych specjalizuje się również firma EG&G Marine Instruments z korporacji Edge Tech. Przekaźniki radiowe oraz boje przekaźnikowe firmy Pacific Crest Corporation wspierają przewodowe systemy GPS pod wodą. Urządzenie zapewnia szybką transmisję danych pozycyjnych (do 9600 baud) na 16 oddzielnych kanałach radiowych (ustawianych przez użytkownika). Urządzenia te wykorzystywane są powszechnie do przesyłania poprawek różnicowych GPS. Firma Racal Survey na potrzeby nawigacji podwodnej i pozycjonowania wykorzystała systemy akustyczne oraz technologię systemów nawigacyjnych DGPS, StarFIX, DeltaFix LR (Long Range) oraz Delta Fix SR (Short Range). Do operacji podwodnych firma Racal przystosowała akustyczne systemy pozycyjne Sonardyne LBL Compatt, Sonardyne USBL oraz Simrad HPR USBL, zapewniające dokładność pomiarów rzędu kilku decymetrów. Firma Ashtech proponuje nawigacyjny odbiornik GG24 współdziałający z amerykańskim systemem satelitarnym GPS oraz rosyjskim system satelitarnym GLONASS. GG24 zapewnia dokładność określonej pozycji obiektu w toni wodnej na poziomie 3 m (P = 95%). Kolejna firma Chance z grupy kapitałowej Fugro proponuje całą gamę urządzeń technicznych do prowadzenia nawigacji podwodnej i pozycjonowania. Systemy USBL firmy Chance zapewniają dokładność pomiaru na poziomie 1 % mierzonej odległości pod wodą. Dokładność systemów LBL działających w oparciu o system dennych lub nawodnych transponderów akustycznych uzależniona jest od konfiguracji systemu oraz przyjętej w odbiornikach częstotliwości fali nośnej sygnału. Urządzenia akustyczne Accufix Loran-C, wsparte technologią systemu nawigacyjnego Loran-C, przy pozytywnej geometrii systemu mogą zapewnić dokładność pozycji obiektu w toni wodnej na poziomie 10 m (P = 95%). Inne urządzenia tej firmy, wykorzystując system nawigacyjny Loran-C do odbioru poprawek różnicowych DGPS, mogą zapewnić dokładność pozycji obiektu w toni wodnej na poziomie 1 m (P = 95%). Inną grupę stanowią systemy i urządzenia do nawigacji podwodnej oparte na technologii Dopplera. W urządzeniach tych mierzona jest zmiana częstotliwości fali nośnej wysyłanego i odbieranego sygnału akustycznego (tzw. efekt Dopplera). Zintegrowane urządzenia nawigacyjne Workhorse Navigator firmy RD Instruments mierzą aktualny kierunek ruchu obiektu, głębokość nurkowania oraz przechył boczny i wzdłużny urządzenia z 132

dokładnością do 0,2% wartości mierzonego parametru. Urządzenie to jest idealne dla użytkowników, którzy nie mogą wykorzystywać technologii DGPS (ograniczony dostęp do poprawek lub brak przetworników akustycznych), USBL (urządzenia są dość głośne) i LBL (ustawienie systemu jest dość czasochłonne). Firma Oceanscan dzierżawiąca firmę Simrad i Sonardyne, producentów akustycznych systemów pozycyjnych dużej dokładności, oferuje systemy hydroakustyczne Simrad HPR, systemy dynamicznego pozycjonowania DP, Trimble GPS, Starlink DGPS oraz oprogramowanie (OceanLink GPS vehicle tracking software). Firma Western Marine Electronics (Wesmar) specjalizuje się w sprzedaży nawigacyjnych urządzeń sonarowych, np. sonar nawigacyjny ROV600, sonar pomocniczy HD600 E-6 (sub-navigation) oraz sonar śledzący HD600 E-6 ROV. Sonary serii HD umożliwiają prowadzenie nawigacji podwodnej do głębokości 800 m. Inny flagowy produkt tej firmy to zintegrowany komputerowy system nawigacyjny Melian II (Search, Survey and Recovery computer integrated navigation system). Milian II zawiera profesjonalne sonarowe systemy nawigacyjne SUN (Sonar Underwater Navigation), w tym sonary boczne i czołowe, odbiornik i przekaźnik akustyczny systemu DGPS lub innego systemu nawigacyjnego dużej dokładności, czujnik pola magnetycznego (magnetometer), wykrywacz metalu (metal detector), log dopplerowski itp. Urządzenie Milian II wykorzystywane jest przez marynarkę wojenną USA (U.S. Navy Mobile Underwater Debris Survey System MUDSS) między innymi do penetracji zatopionych i zamulonych obiektów oraz rozpoznawania pól minowych przeciwnika. Innym zintegrowanym systemem nawigacyjnym opartym o technologię DGPS oraz technologię systemów akustycznych jest WinFrog firmy Pelagos. Kolejny zintegrowany komputerowy system nawigacyjny bazujący na Windows to QINSy firmy Quality Positioning Services. Na mapach elektronicznych można umieścić planowaną trasę przejścia nurka albo ROV pod wodą. Oprogramowanie nawigacyjne umożliwia orientację nurka lub ROV pod wodą względem jednostki macierzystej oraz innych punktów odniesienia (maksymalnie do 998 obiektów). QINSy współpracuje z większością odbiorników GPS oraz większością akustycznych systemów referencyjnych USBL, SBL i LBL. Amerykańska firma InterOcean Systems oferuje systemy do nawigacji podwodnej i pozycjonowania oraz zestawy sensorów, współdziałających z systemami telemetrycznymi, kablowymi, światłowodowymi, akustycznymi, radiowymi i komórkowymi do pomiaru prędkości i kierunku prądu, parametrów pływu i falowania oraz charakterystyki wody (pomiar jej gęstości, temperatury i zasolenia). 133

Inną znaną firmą rozprowadzającą urządzenia do nawigacji podwodnej i pozycjonowania jest Coastal Oceanographics. Jej flagowy produkt to zintegrowany system nawigacyjny Hypack. Komputerowy system Hypack, oparty na systemie Windows, umożliwia jednoczesną analizę danych pozycyjnych uzyskanych z dziewięciu różnych źródeł, w tym między innymi z echosondy, logu, sonaru, boi przekaźnikowych DGPS, kinematycznych systemów nawigacyjnych (OTF), nawigacyjnych systemów stadiometrycznych i hiperbolicznych oraz kompasów magnetycznych i żyrokompasów. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonej analizy dostępnych na rynku systemów oraz urządzeń do prowadzenia nawigacji podwodnej oraz pozycjonowania można dojść do następujących wniosków: 1. Obecnie obserwuje się znaczny wzrost technologii komputerowej, co sprzyja rozwojowi zintegrowanych systemów nawigacyjnych dostosowanych do działalności ludzkiej pod wodą. 2. Przyszłościowymi systemami do nawigacji podwodnej i pozycjonowania będą zintegrowane systemy nawigacyjne przedstawiające dane GIS oraz informacje nawigacyjno-pozycyjne na kolorowym wyświetlaczu LCD w formacie trójwymiarowym 3-D. 3. Podwodne systemy nawigacyjne oparte będą o sieć globalnych systemów nawigacji satelitarnej GPS, GLONASS, naziemnych systemów nawigacyjnych dużej dokładności oraz sieć nawodnych i podwodnych systemów akustycznych. 4. Liczba dostępnych na rynku urządzeń będzie malała, a ich jakość i niezawodność rosła. 5. Dokładność określanej pozycji obiektu (nurka, pojazdu ROV) w toni wodnej będzie wzrastała i osiągnie wartość rzędu paru centymetrów. 6. Cena urządzeń spadnie. 7. Urządzenia staną się powszechne i przyczynią się do wzrostu bezpieczeństwa życia ludzkiego pod wodą. LITERATURA: 1. Subsea Newsletter, Kongsberg Maritime, No 1, March 2004. 2. Foldery reklamowe firmy Simrad Kongsberg (Leading provider of marine and offshore technology, HPR, HIPAP), 2004. 134

3. Materiały reklamowe korporacji: RJE International, Laitram Corporation, ORE International, Rentec International, ITC (International Transducer Corporation) oraz InterOcean Systems International, 2003. 4. Materiały reklamowe firm: Oceana s (USA), Benthos (USA), Imetrix (USA), Simrad (Norwegia), Applied Acoustic Engineering (Wielka Brytania), Wesmar (USA), 2003. 135