автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Автономные океанологические информационно-измерительные системы (элементы теории, разработка, применение)

На правах рукописи

Ковчин Игорь Сергеевич

Р Г Б ОД

АВТОНОМНЫЕ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ (элементы теории, разработка, применение)

Специальность:05.11.16.-информационно-измерительные системы

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Акционерном обществе закрытого типа "СП

ИНТААРИ", учрежденным Государственным научным центром Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор,

вице-президент Академии метрологии Э.И. Цветков Доктор технических наук, профессор

вице-президент Академии метрологии Г.Н. Солопченко

Доктор технических наук,профессор A.B. Шадрин

Ведущее предприятие- Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт Министерства обороны Российской Федерации

Защита Ъостоится "20"декабря.1996г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 063.36.02 Санкт-Петербургского электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, 5.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана "_"ноября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б.Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация представляет собой обобщение более чем двадцатилетнего опыта работы автора в области создания и внедрения автономных океанографических информационно-измерительных систем, их метрологического обеспечения и применения для мониторинга и исследования Мирового океана.

В последние годы многие страны стремятся максимально использовать природные ресурсы океана. В первую очередь их усилия направлены на развитие морской нефтегазовой индустрии, транспорта и рыболовства, на расширение строительства и использования гидротехнических сооружений. Сегодня идет повсеместное освоение океана, включая его полярные области, шельфовую зону и глубоководные районы.

В связи с этим особое значение приобретает получение полной и достоверной информации о физических процессах, происходящих в океанских ■глубинах. Здесь невозможно ограничиться только дистанционными наблюдениями, а приходится размещать измерительную аппаратуру

непосредственно в океане(in situ), где она подвергается агрессивному воздействию водной среды и высокого давления. Такая аппаратура функционирует в автоматическом, необслуживаемом режиме от собственных маломощных источников энергии. Эти автономные информационно-измерительные системы (ИИС) располагаются на буйковых станциях в глубинах океана, окружают буровые платформы и терминалы в шельфовой зоне морей, устанавливаются на дрейфующем льду и на необитаемых подводных аппаратах. Результаты их измерений используются во всех видах хозяйственной деятельности на море: при составлении прогнозов, организации контроля загрязнения, водной среды' и прогнозирования опасных погодных явлений: ураганов, цунами, тайфунов, движения ледяных полей. Получаемые с помощью автономных ИИС данные необходимы для изучения природных процессов, происходящих в океане, исследования его взаимодействия с атмосферой, для разработки моделей этих процессов и уточнения прогностических методик.

История и современное состояние вопроса. По сведениям автора появление в океанографии автоматических измерительно-регистрирующих приборов следует относить к началу 50-х годов. Ими явились - измеритель течения' англичанина Ричардсона и отечественная буквопечатающая вертушка (БПВ) Ю.К.Алексеева. Затем по мере развития техники в океанологическом приборостроении происходил последовательный

переход к электромеханическим, далее в 70-х годах - к электронным и в 80-х - к микроэлектронным, а в настоящее время - к микропроцессорным средствам измерения(СИ) . В эти годы за рубежом, в Норвегии Ивер Ондеро, а в США - Нейл Браун создали целую индустрию по производству автономных океанографических приборов, включив в перечень измеряемых параметров температуру, электропроводимость,

гидростатическое давление, элементы поверхностного волнения и уровня воды.

В СССР проблемами океанологического приборостроения занимались в основном в трех центрах: г. Москва, Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской Академии наук и Специальное конструкторское бюро океанологической техники; г.Севастополь, Морской гидрофизический институт Украинской Академии наук, и г. Санкт-Петербург: Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ГНЦ РФ ААНИИ) совместно с Рижским опытным заводом гидрометеоприборов (РОЗ ГМП) и Заводом штурманских приборов (ЗИП) НПО "Азимут". Члены-корреспонденты Украинской Академии наук А.Г.Колесников и Б.А.Нелепо, доктора наук Ястребов B.C. и Парамонов А.Н. внесли заметный вклад в развитие отечественной океанологической техники.

В результате к началу 70-х годов сложились реальные научные, технологические и экономические предпосылки комплексного решения задачи создания автономных океанографических измерительных ИИС, включая вопросы теории и практики океанологического приборостроения. В соответствии с этим в ААНИИ с участием автора были развернуты работы по разработке и организации на РОЗ ГМП и ЗШП серийного производства автономных океанографических средств измерений.

Отсюда вытекает актуальность темы диссертации, что подтверждается ее тесной связью со следующими научно-техническими и целевыми государственными программами и заданиями:

Федеральная целевая программа "Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской федерации в 1994-1996 годах и на период до 2000 года", принятая Постановлением Правительства Российской федерации № 437 от 3 мая 1994 г.;

Постановления ГКНТ N490 от 03.11.75 и Совета Министров СССР N821 от 29.09.80, связанные с решением проблем

предупреждения Цунами и развитием автоматизированной системы Гидрометслужбы СССР;

Задания ГКНТ по проблеме "Мировой океан" в части подпрограммы 074.01.03.014. проекта "Абиссаль", 06.01.01 проекта "Гидрофизическое приборостроение" и 074.01.08.01 по автоматизации регистрации и обработки данных

океанологических наблюдений.

Отдельные разделы диссертации выполнялись в 1975 - 1991 гг. в рамках комплексных программ метрологического обеспечения, плана тематических работ Росгидромета, а также во исполнение приказов Минприбора СССР.

Целью диссертации является разработка научных основ проектирования, создание концепции производства и применения автономных океанографических ИИС для решения прикладных задач мониторинга океана и получения новых данных о происходящих в нем физических процессах.

Достижение указанной цели обеспечивается постановкой и решением следующих задач:

-разработки математической модели океана как объекта измерений с определением перечня значимых океанографических величин;

-развития и адаптации существующих теоретических положений к процессу измерений in situ основных океанографических величин автономными средствами;

-формализации специальных требований к автономным океанографическим ИИС;

-разработки принципов построения и метрологического обеспечения таких систем;

-выбора, обоснования и разработки схемных и конструкторских решений для реализации этих принципов;

-создания научнообоснованной методологии применения и обслуживания новых приборов; -исследования ринка продаж и услуг;

-формирования концепции создания и применения современной океанографической техники.

_ Методы исследования основаны на фундаментальных

положениях теории измерений физических величин, теоретической метрологии и векторной алгебры, теории случайных процессов, математической статистики и теории автоматического управления с привлечением аналитических и имитационных методов исследования процессов взаимодействия техногенных объектов с природной средой.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана научнообоснованная концепция создани: автономных ИИС для получения комплексной информации о1 океане, включающая вопросы теории, системное проектирования и изготовления таких систем, и: метрологического обеспечения и интерпретации получаемы: результатов измерений.

2. Получены новые результаты в теории измерений поле: многомерных величин, изменяющихся случайным образом специфическом режиме динамического взаимодействия объект измерений с датчиками ИИС.

3. Разработаны методы повышения качества океанографически измерений путем введения коррекции, автокалибровки взаимного согласования результатов измерений различны каналов автономных систем.

4. Впервые в теоретической метрологии решены вопрос нормирования метрологических характеристик ИИС определения погрешностей результатов измерений основны океанографических величин.

5. Детально разработаны вопросы измерения скорости дрейф льда по величине доплеровского частотного сдвиг гидроакустических эхосигналов в режиме активной подводно локации льда автономными системами с учетом зависимост скорости распространения звука в воде от ее фактически гидрофизических характеристик.

Новизна подтверждается серией авторских свидетельств н изобретения, в том числе на способы измерения [2-17], приоритетом авторских публикаций по данному вопросу, достоверность - широким внедрением созданной измерительно техники, результатами ее интеркалибрации и сличений показаниями других СИ.

Практическая значимость результатов диссертационно исследований заключается в разработке с учетом реальнс технологической базы, организации производства и в внедрении следующих ИИС:

1. Серия модификаций автономных океанографических приборе АЦИТ, „ВЕКТОР* внесенных в Государственный реестр С соответственно под NN 6863-78 и 12643-91, освоенных серийном производстве и внедренных повсеместно в практик морских работ в гидрометслужбе России и других стран СН1 судах Главного управления навигации и океанографии(ТУНИС Министерства обороны, а также нашедших применение

различных организациях Мингеологии, Минводхоза, Российской Академии наук.

2. Телеизмерительные прибрежные гидрологические станции "Мониторинг", ДУ-МГ, "Прилив".

3. Портативные промерные эхолоты "Скат" и "Скат-М".

4. Измерительные системы "ИАУЕ-иЕСТОИ" и "Ледовый сонар", применяемые отдельными российскими и иностранными компаниями.

Важными практическими результатами работы также являются:

1.Создание отечественной системы метрологического, методического и программного обеспечения эксплуатации и применения современной измерительной техники в океанографии, включающей методические указания РД52.17.48-85, РД52.17.49-85, СГП17.54-88, программы обработки данных АЦИТ для ЭВМ; устройства определения и контроля градуировочных характеристик АЦИТ и ВЕКТОР в штатных условиях эксплуатации. 2.Оборудование для поверки и калибровки векторно-осредняющих измерителей течения, телеизмерительных гидрологических и волнонзмеритепьных станций в процессе их производства, а также лабораторные установки для исследования метрологических характеристик указанных СИ в рабочих условиях применения.

Личный вклад автора. Начиная с 1974 г. в ААНИИ автор участвовал, а с 1982 г. - руководил разработкой серий модификаций измерительных комплексов типа АЦИТ, проведением их государственных испытаний, постановкой на производство и организацией внедрения на наблюдательной сети Росгидромета, составил РД 52.17.48-85, РД 52.17.49-85, участвовал в 5 морских многосуточных экспедициях по отработке методики применения этих ИИС и испытанию приборов„ВЕКТОР, участвовал в процессе интеркалибрации океанографических СИ в Военно-морском центре США им.Д.Тейлора; выполнил разработку, испытания на дрейфующем льду и внедрение в практику работ полярных экспедиций "Север" промерного эхолота "Скат", вел работы по созданию и внедрению телеизмерительных гидрологических станций ДУ-МГ и "Прилив", награжден серебряной и бронзовой медалями ВДНХ соответственно за серию разработок АЦИТ и эхолот.

В период 1990-96 гг. автор, работая в фирме АОЗТ "СП ИНТААРИ", получил основные результаты по представляемой

диссертации, а именно: создал и реализовал на практике современную концепцию океанологического приборостроения автономных ИИС. Он в качестве руководителя проектов участвовал в процессе разработки и производства морских измерительных систем: "ВЕКТОР", "WAVE-VECTOR", "Мониторинг", "Ледовый сонар", гидролокационных комплексов "Гидроэхо", "Гидронавигация", "ASK", ГБО и измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) подводных аппаратов "Меридиан", "Помор", автоматической гидрометеорологической станции АГМСБ, а также при проведении испытаний системы "Ледовый сонар" в 1993 г. в арктической экспедиции на норвежском судне "Lance", аппарата "Помор" и гидролокационной системы ГБО в 1994-96 гг. в Выборгском заливе и на реке Неве.

Реализация результатов работы осуществлена в процессе проектирования, производства и эксплуатации более двадцати океанографических измерительных комплексов различного типа, три из которых (АЦИТ, АЦИТ-А, АЦИТ-У) выпускались серийно на РОЗ ГМП, а восемь - мелкими сериями: "ВЕКТОР" и "Мониторинг 1(П)" - на ЗШП, "WAVE-VEKTÖR", ДУ-МГ, "Скат (М)" - в Экспериментально-производственных мастерских (ЭПМ) ААНИИ.

Результаты данной диссертации использовались при создании системы "Ледовый сонар", блоков ориентации, определения курса и глубины портативного гидролокатора легкого аквалангиста комплексов "Гидроэхо" и

"Гидронавигация", ИВК подводных аппаратов "Меридиан", "Помор", компьютерной гидролокационной системы,

гидрометеорологической станции АГМСБ для буровых судов и морских добычных платформ.

Теоретические разработки данной диссертации использованы в следующих нормативных документах:

-Программе и методике Государственных испытаний Автономного цифрового измерителя направления и скорости потока, температуры, электропроводимости и давпения воды (АЦИТ) и технических условиях ТУ 25-11-1279-76 на АЦИТ, государственный регистрационный N 1657373 от 25.02.77, а также в аналогичных документах - на все его модификации; -Руководящих документах РД 52.17.48-85, РД 52.17.49-85 системы метрологического обеспечения Росгидромета по методике поверки каналов скорости и направления течения измерителя АЦИТ;

- стандартах ДАНИИ, инструкциях РОЗ ГМП, ЗШП и ЭПМ ААНИИ по технологическому контролю метрологически значимых элементов

систем в процессе их производства, методиках и программах приемосдаточных и сравнительных испытаний различного рода океанографической техники, указанной ранее, в том числе при проведении интеркалибрации советских и американских измерителей течения.

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс по курсу лекций "Приборы и методы океанологических измерений", "Морская гидрометрия" и "Океанологические информационно-измерительные системы" для студентов гидрометеорологических вузов, обучающихся по специальности "Океанология", и курсантов Высшей морской академии им.С.О.Макарова - на кафедре "Полярная океанология".

Положениями, выносимыми на защиту по материалам настоящей диссертации, являются следующие:

1.Математическая модель океана как объекта измерения в виде многомерного поля случайных величин различной физической

• природы.

2.Приложение фундаментальных положений теории измерений и метрологии к задачам измерения in situ основных океанографических величин.

3.Архитектура построения автономной океанографической ИИС и методика оценки погрешностей результатов ее измерений.

4.Методы повышения качества океанографических измерений автономными техническими средствами в условиях нестабильного пространственного положения датчиков.

5.Принципы построения и метрологического обеспечения средств измерения in ,situ температуры, электропроводимости, солености, плотности морской воды, элементов поверхностного волнения, глубины и рельефа морского дна, векторов скорости течения и дрейфа льда. '

6.Разработка серии автономных океанографических измерителей для буйковых станций, прибрежных телеизмерительных систем и гидроакустических зондирующих приборов.

7.Концепция создания океанологической измерительной аппаратуры.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на многочисленных всесоюзных конференциях, совещаниях и школах, проводимых по тематике, связанной с океанотехникой, наиболее значительные из которых в 1978, 1983, 1985, 1987 гг. состоялись в г. Геленджике, в 1989 г.- в Москве и Обнинске; в 1974 г.- на всесоюзном семинаре на борту научно-исследовательского судна "Профессор

Визе", а также - на Ш съезде советских океанологов, 1987 г. (Ленинград), во Всесоюзном научно-техническом обществе приборостроителей им. С. И. Вавилова на совместном заседании в 198 8 г. секций научного приборостроения, охраны окружающей среды и метрологии, на Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений", 1990 г.(Москва), 1-й Санкт-Петербургской Международной конференции "Конверсионные технологии в гидроакустике" (1994 г.), 2гй международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России", симпозиуме-семинаре выставки "НЕВА-95" (1995 г., Санкт-Петербург) и научно-техническом семинаре "Применение

геоинформационных технологий в освоении арктического морского шельфа" (1996 г., Санкт-Петербург).

Отдельные вопросы данного диссертационного исследования в период 1980-1983 гг. докладывались автором и обсуждались на заседаниях "Советско-американской рабочей группы N6 по интеркалибрации измерителей течения в Национальной администрации по океану и атмосфере США(НОАА)" и "Комиссии по проблемам Мирового океана при президиуме Академии наук СССР", в 1981-1995 гг. - Физико-технической и океанологической секциях Ученого Совета ААНИИ и Координационного совета по . средствам океанологических измерений при Российской академии наук, секции N1 по комплексной проблеме "Гидрофизика".

В целом диссертация докладывалась на научно-техническом совете ИНТААРИ и семинаре кафедры информационно-измерительной техники Санкт-Петербургского

электротехнического университета.

Публикации. Общее количество научных работ по теме диссертации, подготовленных автором (единолично и в соавторстве), составляет 75. Из них основных, приведенных в конце текста доклада, - 53, в том числе монография, две зарубежные работы и 15 авторских свидетельств на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 1.1.Характеристика объекта измерений. Мировой

океан . представляет собой сложную природную систему планетарного масштаба, временная изменчивость которой охватывает интервалы времени от нескольких долей секунд до многих веков. С физической точки зрения эта экосистема в полной мере может характеризоваться состоянием своей водной среды, ее открытой поверхности и ледяного покрова, глубиной и видом рельефа дна. Наиболее представительными океанографическими величинами являются: вектор скорости Vt движения водных масс или течений, их температура Т°, соленость S или плотность р, глубина D расположения, скорость распространения звука С, а характеристиками открытой водной поверхности: высота hy уровня океана относительно ординара, амплитуда Нв и период tB волнения. Объективными параметрами, описывающими состояние ледового покрова, являются вектор скорости Vn дрейфа льда, его толщина Ьл и физико-механические свойства[ 46,52] .

Значения всех перечисленных величин меняются случайным образом во времени и пространстве, а сами они взаимосвязаны между собой в рамках единой физической системы океана, что дает основание представить океан как объект измерений в виде нестационарного многомерного поля X(t, г), где

Х={х1,х2,...,хк> - вектор одновременно измеряемых разнообразных по своей природе физических величин, перечисленных выше, t -время, r-вектор пространственных координат. Для подавляющего числа прикладных задач изменения временного фактора t определены пределами от нескольких минут до нескольких лет, а пространственного - от 1-2 м до сотен километров!1], что, согласно общепризнанной классификации академика А.С.Монина, соответствует

океанической изменчивости от мелкомасштабной (без микроструктуры) до междугодичной или даже климатической.

Поэтому для получения полной информации об океане во всем диапазоне его многокилометровых глубин приходится использовать технические средства, способные выполнять измерения in situ в условиях агрессивной внешней среды и функционировать в автоматическом, необслуживаемом режиме от ограниченных по емкости и мощности источников электроэнергии.

1.2.Технические средства и методы океанографических измерений. В зависимости от диапазона наблюдаемой океанической изменчивости и методики применения океанографические СИ разделяются на следующие группы: зондирующие, буксируемые судном или подводным аппаратом, позиционные для океанских буйковых станций или платформ, дрейфующие автоматические ледовые станции. Среди океанографических приборов выделяют измерители солености по 3neKTponpoBOflHMocTH(Conductivity) воды, ее температуры (Temperature) и глубины(Depth), так называемые CTD-измерители или CTD-зонды, измерители и профилографы течений, ледовые сонары и толщиномеры, измерители элементов волнения и уровня, эхолоты и гидролокаторы. Все они могут эксплуатироваться как отдельные приборы или в виде измерительных каналов объединяться в информационно-измерительные системы. Классификация океанографических ИИС к СИ по группам и составу измеряемых величин применительно к диапазонам пространственно-временной изменчивости океана дана в табл.1.1.

Таблица 1.1

Классификация океанографической измерительной техники

Наименования и характеристики Масштаб пространственной/временной

техники х изменчивости

Наимено- Измеря- Вид ИИС Юм/ 0,1- 50- >300 Боле'

вание групп емые 1мин 50км/ 300км/ км/ года

СИ величины З-Юч 5-60сут бОсут -1год

Мел- Мезома Синопти Сезон Между:

кий сштаб ческий ный дичнь

Зондирующие TSDHCVT Судовая * _ - - -

Буксируемые TSDHK Судовая Подводного аппарата * * * - - -

Позиционные TSDVTVJI Буйковая * * * _ _

hnhyHBtB Стационарная - - * * *

Дрейфующие TSD Буйковая _ _ * *

В большинстве случаев рассматриваемые ИИС работают о^ батарейных или ■ аккумуляторных источников питани) ограниченной емкости(до 10 Ач) и мощности(до 0,1 Вт), npi этом такие системы должны поддерживать cboi работоспособность и сохранять метрологические характеристик! в автоматическом необслуживаемом режиме в течение длительны: (до 1 года) сроков эксплуатации, а их датчики in situ - hi

искажать параметры гидрофизических полей океана и обладать необходимой прочностью при агрессивном воздействии морской воды и высоком внешнем давлении в 60-80 МПа у дна.

Все вышеизложенное показывает [1,40,46], что к автономным ИИ С предъявляются взаимоисключающие технические требования, а именно: высокая эксплуатационная и метрологическая надежность при минимальных габаритах, энергопотреблении и объеме аппаратных средств подводной части систем. Данное обстоятельство накладывает особенности на процесс их разработки, производства, метрологического обеспечения, методики применения, оценивания точности и достоверности получаемых результатов. В соответствии с этим рассматриваемые системы выделены в отдельный класс автономных ИИС, в котором процесс обеспечения единства измерений имеет свою специфику.

Работа такого класса измерительных систем проиллюстрирована рисункам- Более подробная информация по данному вопросу приведена в работах [1,18,20,21,26,

спутник связи и навигации, 3- буксируемые СИ, 4 - стационарная ИИС, 5-дрейфующие СИ, 6 - измерители скорости дрейфа льда, волнения, уровня, температуры и солености воды, 7- подводные необитаемые аппараты, 8 -обрывные зондирующие СИ, 9 - позиционные измерители течения,10 - буйковая ИИС.

1.3. Специфика задачи океанографических измерений in situ автономными средствами. На основании

представления об океане как о многомерном векторном поле случайных величин задача океанографических измерений формулируется в работах [1,46,52], как процесс получения in situ их представительных характеристик. При этом океанографические величины, выделенные выше как основные: VT,T°,S,C,D,H,p,HB,tB,hy,Vn,hn, принимаются в пределах одного масштаба изменчивости локально стационарными и описываются методами математической статистики. В соответствии с этим,в качестве искомых характеристик используются следующие: для значений измеряемых величин - их математическое ожидание M{xi>, для диапазонов изменчивости - дисперсия D{xi>, для энергетических и временных характеристик процесса - спектр S{xi} или корреляционная функция R{t>.

Конкретный вид характеристик задается аппаратно и (или) программно при создании таких СИ. В подавляющем большинстве автономных приборов ограничиваются определением лишь значений математического ожидания путем усреднения ряда дискретных значений результатов измерений.

Специфика задачи океанографических измерений in situ автономными ИИС заключается в следующем:

-датчики целиком располагаются внутри самого объекта измерения и поэтому подвержены влиянию океана, в том числе неизмеряемых параметров;

- размеры средств измерений и их перемещение увеличивают пространственную протяженность датчиков, которая оказывается соизмерима с пространственной изменчивостью и анизотропностью полей измеряемых океанографических величин;

-измерительные устройства имеют возможность случайным образом перемещаться в пространстве, изменяя ориентацию датчиков относительно направления действия поля измеряемых величин, что вызывает зависимость получаемых результатов измерений от диаграммы направленности датчиков;

- инерционные свойства датчиков различны и соизмеримы со скоростью изменения измеряемых величин.

Особенностью океанографических измерений является взаимосвязь результатов измерений различных

океанографических величин, характеризующих собой единый природный объект. Это позволяет в дальнейшем использовать избыточную информацию для введения поправок в конечные результаты измерений. Кроме того, проведенный анализ методов

и технических средств наблюдений в океане установил, что практически весь перечень измеряемых величин, за исключением температуры, подвергается косвенным измерениям.

1.4.Выводы. Идентификация океана в качестве объекта измерений в виде нестационарного многомерного поля случайных взаимосвязанных величин различной физической природы и анализ свойств автономных средств измерений in situ позволяет сделать вывод, что автономные океанографические ИИС следует относить к алгоритмическим, производящим косвенные измерения с последующим циклом статистической обработки, и, следовательно, включением в их состав соответствующих конструктивных элементов и блоков. Теория таких измерений должна учитывать пространственные и динамические характеристики объекта и средства измерения, а при разработке принципов его построения следует выполнять условия о минимуме энергопотребления и габаритов аппаратных средств реализации.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ АВТОНОМНЫМИ ИИС

2.1.Уравнения измерительных преобразований. На основе операционалистского подхода Э.И. Цветкова к процедурам измерения и представления модели объекта измерений в виде4 многомерного поля Х{к> случайных величин xl,x2,...,xk уравнение процедуры прямых океанологических измерений любой из указанных величин xi в точке пространства rj этого поля в момент времени ts определяется как:

x*i=Wi(t, г) X{k}(ts, rj)], (2.1)

где ts е t, rj er, a Wi(t,r) оператор сквозной измерительной процедуры i-ro канала рассматриваемой ИИС, по сути объединяющий в себе все возможные промежуточные операторы аналогового, аналого-цифрового и цифрового измерительных преобразований, реализующие функции масштабирования, усреднения и формирования результата измерений.

В случае линейности оператора Wi(t, г) воздействие поля океанографических величин Х{к} возможно разделить на информативную компоненту этого поля xi(ts,rj), действующую по i-ому входу измерительного канала рассматриваемой ИИС, и вектор fift, г) функций влияния от всех других значащих компонент этого поля X{k}-i. Тогда уравнение!1) примет вид:

г){х1^б, 1^)+ ЧЧ[х1, .х1-1,х1+1. .хк] гЛ>.(2.2) При учете других факторов, влияющих на работу измерительных устройств, но не связанных с объектом измерения, и обозначив х1,хл.-1,х1+1,.хк как Х{к}-1, базовое уравнение (2.2) можно представить как:

г){х1^8,г;))+ 4>л.[ Х{к}-1, ( ("Ьз^эг] ) ^ , (2.3)

где 1п1 - вектор учета влияния на результат измерений факторов, связанных с изменениями метрологически значимых технических (инструментальных) характеристик 1-ого канала. Такими факторами являются: колебания питающего напряжения, стабильность опорных элементов, образцовых сигналов и уставок, воздействие внутренних магнитных и электромагнитных полей и т.п.

При выделении в отдельный влияющий компонент пространственного фактора выражение (2.3) примет вид:

х* хз. ( "Ьб , г з ) + Ч/1[Х{к}—1, 1пз., г;])}, (2.4)

где вектор р1 учитывает влияние изменений пространственной ориентации датчика, если подобного рода изменения не учтены оператором ИЦ*:, г) в виде диаграммы направленности, или имеют место ее отклонения от номинальной под действием внешних факторов Х{к}-д., 1п1 либо от времени. В случае косвенных измерений величины х±, функционально связанной с другими океанографическими величинами хт,хт+1,.хш+Ь, соотношение (2.4) на базе принятой системы обозначений представляется следующим образом:

х*1=Ю1{{хт^1Б , гз)+ Ч'т[Х{к>-т, р] (tsL г j ) } ,

{хш+1(Ъз, г;П+ [Х{к}-(т+1) , 1пт+-1, г;])},..

{хт+Ь^э, г j )+ Тт+Ь [ X { к } - (т+Ь) , 1пт+Ь, р] г ^ } . (2.5)

На основе уравнений (2.4) и (2.5) измерительных процедур с раздельным представлением в операторной форме информативной и влияющей /помеховой/ частями был выполнен детальный анализ автономных ИИС основных океанографических величин на предмет установления источников погрешностей и разработки алгоритмов повышения точности.

2.2. Источники и вид погрешностей. В общем случае

погрешность Лл.^) результатов океанографических измерений представляется выражением

Дл-(^)=Нз_(1:, г) Х{к^(-Ь, г)- 1?1г(Ъ,г) Х{к>(Ъ, г), (2.6) где (1:, г) и Ю1г(1:, г) - соответственно реализованный и гипотетический операторы измерительной процедуры 1-го канала.

Методическая часть этой погрешности определяется как: Л1м(1:)= УИЩЬб, г;]) Х{к> (ts , г j )-Wiг(tsí_ г j ) Х{к}^, г;]) =

= x*iи(ts, rj)-xi(ts, гз), (2.7)

где хз-^б, г□) - истинное значение измеряемой величины, а х*аи^Б, rj) -результат измерения, соответствующий идеальной реализация Из-и^э, г;]) принятого алгоритма измерений.

Для оценки методической погрешности Д1вл только от влияния неинформативных компонент поля Х{к}-1 на результаты измерений 1-го канала в качестве идеальной реализации оператора измерительной процедуры этого канала был принят гипотетический - Ид-Г^б, г;з) применительно лишь к информационному воздействию поля. Тогда х*1.и(1з, гз) представляется следующим образом:

х*1и(1з, гз)=\Ик(гз, г;])[ Х{_к}(1Б, г з ) ] = =ЭДл.г("Ьб, г3 ) , г3) ].

В свою очередь истинное значение х1 по аналогии с (2.2) описывается соотношением:

х£ (, г j)=Wiг(ts , гз) { XI ( "Ьб , гЛ+ ЧЩ Х{к}-з. ] , г;))}.

На основании (2.7) дополнительные методические погрешности Д1вл от влияния неинформативных компонент поля Х{к}-а на результаты измерений 1-го канала без учета всех других возможных составляющих этой погрешности представляются следующим образом:

Д1вл(1)= &?д.г{х1 , г^ ) }-Наг{хд.^з, г)+ Ч1! [Х{к}-д.] г;П}.

В случаях линейности измерительного тракта океанографической КИС возможно условно разделить вклад помехи и полезного сигнала в получаемый результат измерения и следовательно:

Д1вп= гз { 4*3. [Х{к> -1 ] ( Ъв, гз)}.

Аналогичным образом учитывается влияние от изменений ориентации датчика и метрологически значимых технических характеристик канала:

Д1вл = (, гз ) { -С [ Х{к}-1,1пд., рз.]^з,г;])}. (2.8)

При косвенных измерениях величины хх, функционально связанной в рамках единого объекта измерений с другими океанографическими величинами хш,хш+1, ...хш+Ь, рассматриваемая методическая погрешность по аналогии с вышеизложенным определена как:

Д1влО;)=Ы:.г^8, г j ) { Ч>т[Х{к}-ш, 1п1п, рт](1й, гз ) , ¥т+1[Х{к}-(т+1) , 1пт+1, рт+1) ^б.,- 1^) , . . Ч/т+Ь[Х{к}-(ш+Ь) , 1пт+Ь, р.т+Ь]^5, г э ) } . (2.9)

После использования в формулах (2.8) и (2.9) оператора УИп полученные соотношения служат для определения поправок и исключения указанных составляющих методических погрешностей. Общий вид алгоритмов соответствующих поправок основных океанографических величин представлен в таблице. На основе полученных соотношений и результатов исследований принципов построения и конструирования конкретных технических средств для вновь создаваемых измерительных комплексов разработаны искомые алгоритмы, которые приведены в работах!1,25).

Корректирующие поправки при измерениях основных _океанографических величин_

Наименование Вид поправки

величины

Температура воды Ит°{1Рг[Р, 1пт°,Ут,р] ^t)}

Электропроводимость Р,Т°,1п!1,Ут, ] (-Ь)

Давление Ир{4'р[Т°, 1пр, ] (-Ь)}

Соленость воды Ур,^ т°,ЧРл) ]

Плотность воды чяр^р^т.чъ)] (г)}

Скорость течения р, Т°, 1;о ] (■Ъ),441 [ 1па, р,Т°^о] (1:)}

Скорость звука Ис{4'с[ Vт,In, р ("Ь) у или Ис{Ч,р,Ч,т°,Ч'к, 1п]<1:)}

Высота волны ив[ч*р[ тр ,т°,р]т>

Период волнения 5«:в{1Рр[ 1пр,Т°,1:о] (^ }

Уровень океана ИМЧ-рЦ 1пр,Т°,

При рассмотрении погрешностей, связанных только с инерционностью и пространственной протяженностью

океанографических датчиков, за оператор идеальной реализации алгоритма косвенных измерений х1 в момент времени в точке пространства г] принимается: М,з-И=Кл.г[хт^81, г ;)1) ,хт+1 (1б2, г j2 ) , ...хш+Ь(ЪзЬ, г;]Ь)].

В силу того, что инерционность датчиков по разным измерительным каналам океанографической ИИС различна, то отсчеты фактически оказываются разнесены по времени . Отсюда возникает методическая погрешность асинхронности измерений океанологических параметров, характеризующих одну из величин. Например, при измерениях Б по значениям Г*,!10 и Р.

Датчики автономных океанографических ИИС пространственно разнесены друг от друга, усредняют в различном объеме, осуществляют измерения в разные моменты времени, а также вместе с подводной частью систем имеют возможность

перемещаться в пространстве. Следовательно, при учете пространственной протяженности объема, в котором выполняются измерения, получаемые результаты оказываются отнесены к разным точкам пространства, т.е. гj* гjl* г.. rjb. Таким образом, пространственно-временная несогласованность этих измерений вызывает погрешность пространственно-временной протяженности методического характера Ainp(t, г), которая в общем виде представляется выражением:

Ainp(t, г )=Wir[ xm( tsl, г j 1) , xm+1 (ts2 , r j2) , ;..xm+b( tsb, rjb)]--Wir[xm(ts, rj), xm+l(ts, r j ) , ...xm+b( ts, rj)]. (2.10) При этом составляющая Ainp(t,r), связанная с различной инерционностью измерительных каналов без учета пространственной протяженности, имеет вид: Ainp( r-const)= Wir[xl(tsl, rj),x2(ts2, r j ), ...xm( tsm, rj)]--Wir[xl(ts, rj), x2(ts, r j ) , ...xm(ts , rj)], а при учете протяженности, а не инерционности - следующий вид:

Ainp(t-const)= Wir[xl(ts, rjl),x2(ts, г j2 ), ...xm( ts , rjb)]--Wir[xm(ts, rj), xm+l(ts, r j ) , ...xm+b( ts , rj)].

Многочисленные исследования различных измерительных комплексов показывают, что в реальных условиях эксплуатации погрешность пространственно-временной протяженности является доминирующей для подавляющего числа автономных океанографических ИИС [1,20,21,31,32,37,44]. Полученные выражения для этих погрешностей явились основой для разработки алгоритмических методов повышения качества таких измерений.

2.3.Методика оценки погрешностей. Все

океанографические измерения в процессе взаимодействия датчиков рассматриваемых ИИС с водной средой носят динамический характер. Однако получение экспериментальным путем амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик океанографических СИ в большинстве случаев является неразрешимой технико-экономической задачей, поскольку моделирование в полном объеме физических процессов, происходящих в океане, не представляется ни технически возможным, ни экономически оправданным. В соответствии с этим предложено опираться на переходные функции h(t, г). Искомые переходные функции h(t, г) воспроизводятся путем моделирования ступенчатого изменения измеряемой величины на входе соответствующего датчика.

Инерционность океанографических ИИС связана, в основном, с их первичными аналоговыми преобразователями, а последующие аналого-цифровые и числовые преобразователи, выполненные в виде электронных узлов, являются более

быстродействующими[1]. Поэтому в качестве идеальной реализации операторов Иа-ц1,Яц1 двух последних из названных измерительных преобразований принимаются их гипотетические значения, соответствующие статическому режиму работы рассматриваемых систем, а в качестве гипотетического оператора аналогового звена (датчика) - его статический коэффициент передачи Кд. Тогда при оценке динамической составляющей методической погрешности Ддинз.(Ъ) 1-го канала линейной ИИС формула (2.7) принимает вид:

Ддинл.(1;)=К[а-ц1Иц:1[у:1СЬ)- Кд1х1(1, г)], (2.11)

где yi{t) - реакция на выходе аналогового звена датчика на воздействие физической величины х1(-Ь, г) на его входе, действующей по всем направлениям (ортам р) вектора г. В общем случае эта реакция представляется в виде:

t

У1(г, Ь) = \\\ д±(г, 1 - т)хд.(р, . (2-12)

0

где дл.( - четырехмерная импульсная переходная

характеристика океанографического датчика, представляющая собой его реакцию на одновременное скачкообразное изменение значения измеряемой величины хл^-Ь) по всем трем ортогональным направлениям пространства, соответствующим ординатам(ортам) р вектора г.

Однако на практике такое полное рассмотрение является экономически оправданным только в отношении измерителей скорости течения, у которых в гидрологическом бассейне динамические характеристики датчиков скорости водного потока определяются экспериментально при их различной ориентации к направлению действия образцового потока[30].

Для тех автономных океанографических СИ, для которых вопрос о многомерных динамических характеристиках не является существенным, как и погрешности, обусловленные этой причиной, реакцию датчика представляют в виде:

Ъ

УК*) = I - т)хКт)с!т'

0

где дг^-т)- импульсная переходная характеристика измерительного . канала. Тогда выражение (2.11) для

определения возникающей динамической погрешности Ддин1(Ъ) записывается как:

t

AflUH.ft) - Wa_4iWy [Jgi(t - r)xi(T, r)dt - КД1Х1(т, r)]<2-13)

'о

Значения импульсных переходных характеристик, требуемые для расчетов по этой формуле, определяются через экспериментально полученные переходные характеристики h ( t )

diyt)

датчиков согласно следующему соотношению: g(t) -- ——. В случае

at

возникновения необходимости более точного учета

динамических характеристик океанографических систем электронная часть может подвергаться также динамическим испытаниям, но уже более полномасштабным и с использованием стандартных методов.

К линейным динамическим первичным преобразователям безусловно относятся: кондуктометрические ячейки и индуктивные датчики электропроводимости, полупроводниковые, тензометрические датчики давления, все акустические приемопередающие антенны. Датчик температуры считается линейным звеном при токе питания, исключающем перегрев терморезистора [43]. Все магнитные компасы, применяемые в современных океанографических СИ, также являются линейными в динамическом отношении, поскольку применяются конструкции, обеспечивающие стабильное положение их картушек в пространстве, отсутствие наклонов в вертикальной плоскости и демпфирование ударных нагрузок[24]. Роторные датчики скорости водного потока также могут считаться линейными при вертикальной ориентации оси вращения ротора.

Однако весь экспериментальный материал

[1,48,27,37,44] показывает, что в отношении пропеллерных датчиков скорости потока условие линейности выполняется только при .'определенных условиях. Это подтвердили результаты имитационного моделирования[33]. Поэтому для описания динамических свойств пропеллерных преобразователей не подходит задание передаточной функции, а требуются другие формы представления метрологичёсхих характеристик. Для описания динамической погрешности предложено использовать различия в показаниях испытуемых образцов СИ скорости в постоянном и переменном водных потоках. При этом изменения скорости задаются гармоническим законом, а значения погрешности -определяются- в' зависимости от -величины коэффициента пульсации' f 2 8 ,.30 ]. Такой подход согласуется с

международно признанной практикой и впервые был внедрен в нашей стране автором[4 5,48] . Данная методика была

использована при проведении государственных приемочных испытаний измерителя АЦИТ-УО1.

2.4.Методы повышения точности измерений. На

базе проведенных теоретических разрпГюток и определения вида доминирующих погрешностей океанографических измерений, связанных с инерционными свойствами датчик->п и возможностью их перемещаться в поле измеряемых величин -пучаиным образом, вызывающих пространственную протяженность получаемых результатов, разработана серия методов, направленных на снижение уровня этих погрешностей. Методы основаны на физических связях между наиболее значимыми из указанных погрешностей с причинами, вызывающими их появление. Вид связей устанавливается экспериментальным путем и обусловлен принципами действия применяемых датчиков. Собственно методы представляют собой следующие:

-коррекцию результатов измерений путем внесения поправок, -согласование результатов измерений датчиков различной инерционности и пространственных характеристик, -усреднение результатов измерений в течение промежутков времени, много меньших интервалов корреляции измеряемых величин,

-адаптацию темпа или дискретности измерений к фактической изменчивости измеряемых величин,

-автокалибровку измерительных каналов при начальном погружении датчиков с использованием естественных нулевых эталонов давления на поверхности, а солености (плотности) -на воздухе, перед погружением в морскую воду.

В отличие от известных подходов коррекция охватывает динамические и пространственные характеристики датчиков. При этом внесение корректирующих поправок осуществляется по текущим значениям измеряемых величин до выполнения операции усреднения и запоминания результатов измерений. Такой порядок используется при исключении составляющих как методических, так и инструментальных погрешностей.

Взаимное согласование результатов измерений предполагает усреднение океанографических величин в рамках одного пространственно-временного масштаба с учетом фактической протяженности каждого из датчиков и их инерционных свойств, что реализовано в комплексе АЦИТ.

Проведенный анализ показывает ограниченность физических принципов действия первичных преобразователей автономных океанографических ИИС. Поэтому предложенные методы обладают определенной универсальностью. Аппаратно-программная

реализация вышеизложенных алгоритмических методов зависит от вида измеряемых океанографических величин, а конкретные примеры их использования в различной аппаратуре показаны в работах [1-22,35,46].

3.ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ИИС

3.1.Архитектура построения ИИС. На основании проведенных исследований и разработок, с учетом современного технологического уровня океанологического приборостроения, произведен синтез типовой структуры автономной океанографической ИИС. В структуру данного класса ИИС входят следующие элементы: Dxl,Dx2,..Dxn датчики измеряемых океанографических величин и - Dp их пространственного положения, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), блоки автокалибровки(АК), сжатия(М{xi}) и преобразования первичной информации(Я), оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), располагаемые in situ, телеметрический канал связи, и устройства приема(УП), обработки и отображения результатов измерений(УО), находящиеся совместно со средствами навигации вне объекта измерения, в надводной части системы. Описанная структура показана на рис.3.1.

Рис.3.1 Структура построения автономной океанографической ИИС

В отличие от классической телеметрической ИИС для косвенных измерений различных наземных природных и производственных процессов, в ней дополнительно присутствуют датчики пространственного положения и навигационные технические средства (GPS).

В рамках данной структуры для минимизации подводной части системы предполагается всю обработку океанографической информации сосредоточить по возможности в ее надводной части, не имеющей ограничений по энергопотреблению и габаритам. Однако при аппаратно-программной рёализации предложенных методов повышения точности, потребовалась интеллектуализация подводной части системы. Для этого в ее состав включены блоки первичной обработки измерительной информации (сжатия, коррекции, адаптации). Структура построения каждого из этих блоков определяется конкретным алгоритмом снижения уровня соответствующей Погрешности по данному каналу системы. Вопросам разработки таких алгоритмов, реализация которых не ведет к увеличению аппаратуры подводной части системы, располагаемой вблизи датчиков, посвящено значительное число авторских работ [2,5,6,7,11,13,15]. Их основные результаты приводятся ниже.

3.2.Каналы измерения температуры, электропроводимости, давления. Основные проблемы измерений CTD-параметров

связаны с согласованием динамических характеристик различных по принципам действия первичных преобразователей. В качестве таких преобразователей температуры в автономных ИИС наибольшее распространение получили платиновые и медные термометры сопротивления, а также полупроводниковые термисторы. При этом проволочные терморезисторы по сравнению с термисторами обладают .существенно более высокой долговременной стабильностью своих характеристик.

В качестве датчиков электрической проводимости применяются индуктивные преобразователи и четырех-электродные кондуктометрические ячейки, а в датчиках давления - - кремниевые микро-мембраны с полупроводниковыми тензометрическими мостами. Из всех вышеперечисленных элементов наиболее инерционными являются термометры сопротивления, что искажает результаты прякызс измерений температуры и косвенных - солености, плотности и скорости звука. Для снижения такого эффекта канал измерения температуры дополнен быстродействующим тёрмистором, а разница в показаниях обоих термочувствительных элементов

используется для внесения по специальному алгоритму поправки в результаты динамических измерений вышеперечисленных параметров океана комплексом "Мониторинг-2" и

гидрологическим модулем АГМСБ.

В отношении полупроводниковых датчиков давления основные измерительные проблемы связаны с долговременной и температурной стабильностью их градуировочных характеристик. Поэтому для устранения инструментальных погрешностей всей системы в целом по каналу давления при длительных измерениях (свыше 6 месяцев) вводится автокалибровка и коррекция температурной нестабильности характеристик. Датчики электрической проводимости также подвержены временному уходу градуировочных характеристик. Для устранения указанных погресностей перед началом длительных измерений в комплексах АЦИТ-У, ДУ-МГ и "Мониторинг" применена автокапибровка, которая по каналам давления и электропроводимости выполняется при нулевых отсветах этих величин на поверхности воды[1].

На буйковых станциях для снижения уровня методических погрешностей измерений СТО-параметров, связанных с ограниченностью ОЗУ и» следовательно, длиной ряда наблюдений, используется адаптивная дискретизация в зависимости от реальной изменчивости Т. с одновременным сжатием информации путем определения среднего по времени значения искомых параметров 5,р,Н. При этом сжатие данных выполняется после проведения расчетных операций по нахождению мгновенных значений рл..

Структура построения устройства, реализующего этот адаптивный принцип измерения показана на рис.3.2.

Рис . 3 . 2 . Структура Л1>сгр<м;иия а втопомног СТО-измеритсгч

Согласно алгоритму работы данного устройства в память его ОЗУ заносятся данные по T°,R и Р только при выполнении определенных соотношений между текущими i-ми значениями и ранее запомненными j-ми, например при | Т S,Р)j-T° (S,Р)i|>ДТ° (S, Р),где Д- значение погрешности измерения соответствующей океанографической величины.

В CTD-измерителях метрологические характеристики нормируются раздельно по случайной и систематической составляющим погрешностей. Это позволило при задании не номинальных, а 'индивидуальных градуировочных характеристик измерительных каналов уменьшить инструментальные погрешности до уровня методической погрешности квантования АЦП. В итоге потребитель АЦИТ и его модификаций может корректно ставить натурный эксперимент и более точно интерпретировать данные, получаемые по CTD-каналам с учетом условий и сроков проведения наблюдений. Таким образом, удалось этими автономными средствами достигнуть точности измерений температуры воды ±0,03°С и солености (по электропроводимости) - ±0,0lene.

Поверка каналов температуры и давления выполняется согласно Государственным поверочным схемам по ГОСТ 8.07979,8.080-80 для температуры и по ГОСТ 8.017-79 - для давления. Метрологическое "обеспечение канала электрической проводимости опирается на международную Шкалу практической солености 19 78(ШПС-78) и вторичный эталон солености нормальную морскую воду по ГОСТ 18456-82 с соленостью 35епс. В результате точность измерений солености морской воды обеспечивается на порядок выше, чем при поверке этих СИ по удельной электрической проводимости растворов электролитов согласно Государственной поверочной схеме по ГОСТ 8.457-82.

Подробные. описания соответствующих методик и установок для проведения поверки имеются в работах [1,23,28,32,34] и вошли в нормативные документы метрологического контроля всех автономных ИИС, включая АЦИТ, ДУ-МГ, "Мониторинг" при их. выпуске из производства ив процессе эксплуатации. В рамках этих методик не только определяются градуировочных характеристики каналов, но и вид функций влияния от неинформативных компонентов. Для температуры таким компонентом является давление, для давления - температура, а для электропроводимости - и температура, и давление.

3.3.Канал измерения скорости и направления течения. В автономных измерителях течения основной задачей является

снижение уровня методических погрешностей, связанных с различной инерционностью и нестабильностью ориентации датчиков, а также изменениями их пространственного положения. Для ее решения автором реализован алгоритм осреднения скорости течения, учитывающий векторный характер измеряемой величины и собственные движения измерителей в процессе проведения наблюдений. При этом течение рассматривается по ГОСТ 18454-73 как однонаправленное движение масс воды в океане, параллельное условной границе воздух-вода и дну, а скорость - как двумерный вектор в системе географических координат, осредненный за некоторое время 1:0. Продолжительность 1;о устанавливается такой, чтобы до минимума снизить искажения результатов измерений, вызванные собственными движениями датчиков скорости, и одновременно отфильтровать высокочастотные турбулентные пульсации воды. Выбор длительности временного интервала в пределах от 10 до 60 минут дает возможность, согласно сведениям из табл.1.1 и работ [1,36], измерять мелкомасштабные и мезомасштабные явления без искажений энергонесущей части спектра скорости движения водных масс.

Таким образом искомый вектор Уср средней скорости течения за время -Ьо определяется через ряд ее дискретных значений Ут1 в виде средневзвешенного значения скорости движения воды, как:

= х (3-1).

о

В качестве датчиков скорости водного потока используются одно, двух и даже трехкомпонентные измерительные преобразователи. Преимущественное распространение в ИИС, производящих длительные свыше 2-3 месяцев наблюдения, получили вертушечные или пропеллерные датчики. В этой связи автором проработан вопрос согласования числа компонент измеряемых датчиком и видом устройств определения его положения, либо - стабилизации в пространстве.

В качестве датчиков азимутальной ориентации в автономных измерителях течения преимущество используют обычные механические компасы. Исследования и разработки [1,24,36,] показали, что' функционирование этих компасов описывается линейной динамической моделью.

Даны рекомендации по синтезу измерителей течения с двухкомпонентными пропеллерными датчиками скорости водного потока, двухкомпонентными инклинометрами, и механическими магнитными компасами. Ввиду того, что произведение Л^^ Ут1

2Я

есть путь Эл., проходимый частицами воды между измерениями ее мгновенных значений Ут1, искомая величина \/ср также может быть определена в виде среднего пути за время ^ в системе неподвижных географических координат. Тогда уравнение, описывающее алгоритм получения средних значений меридиональной Ум и широтной Уш составляющих этой скорости, имеет следующий вид:

" 1о ^

СОК^

3=1

ССКф.;

Ьо

1=1

С08ф1

3=1

СО.Чф-;

где Рх,Рз - значения компасного угла в момент совершения пропеллером полного оборота на угол ^о; 51дп1, signj направления вращения пропеллеров; п и ш - числа оборотов за время -Ъо; Ф1,ФЗ - углы отклонения датчика скорости от вертикали по показаниям инклинометра, ку - гидрометрический шаг пропеллера, показывающий зависимость частоты ^ его вращения от скорости набегающего водного потока, действующего вдоль оси вращения. Предложенный алгоритм основан на суммировании единичных отрезков пути Бо, проходимых потоками воды вдоль оси вращения каждого из пропеллеров[5,20]. Структура построения такого канала реализована в комплексе АЦИТ-У и показана на рис.3.3.

Рис.3.3. Канал измерения скорости теченйя

С целью повышения • точности измерений . .скорости пропеллерными датчиками автором :разработана серия устройств по . коррекции нелинейностей характеристик датчиков такого

типа[25]. При этом было определено, что реальная характеристика пропеллерного датчика описывается функцией

вида : V = а/у + -^Ь/у + с , а отклонения диаграммы направленности от номинальной в зависимости от• соотношения частот вращения обоих пропеллеров задается табличным способом. Наиболее просто в конструктивном плане задача измерения частоты вращения пропеллеров и мгновенной скорости водного потока решается путем определения интервалов времени ДЬл., за которые пропеллер совершает поворот на заданный угол Исходя из этого разработаны соответствующие алгоритмы работы систем измерений скорости течения ВЕКТОР, где выполняется корректировка нелинейностей градуировочных характеристик и диаграмм направленности датчиков скорости [15].

С учетом того, что Зо=51= | VI | АЫ=а/у:А1/ +сД<,2 ,

выражения, описывающие работу канала скорости, примут вид

п еочВ; 1,1 si.il Й-; V« = { X [I + Ч-уКД^)] 31дп1 - 2 [1 + ^(Д^) ]-1 з1дп^[1 + А) 1,

Рпктг п чз п В; т соэВ-; Д^

= (1 + ^^ з1дп! + I [1 + ЧVj(Дt j) ]-3- [1 + Ц1.

Ьо 1=, ' собчц ■> -1 соэ^ Д^

Наряду с вышеописанным, автор совместно с В.М. Абрамовым разработал подход к коррекции динамических 4 погрешностей роторов при нарушении линейности их динамических свойств. В работе[1] предложен метод коррекции, который опирается на результаты цифрового моделирования и экспериментальной проверки адекватности принятого алгоритма линеаризации. Данный метод предполагает внесение поправок в зависимости от частоты вращения вертушки и текущей величины коэффициента пульсации скорости водного потока[27,33].

Нормирование метрологических характеристик канала измерения скорости течения основывается на раздельном задании погрешностей измерения модуля скорости течения и его азимутального направления[25] . При этом отдельно нормируются случайная и систематическая составляющие обеих погрешностей, а также дополнительные погрешности и их функции влияния, в том числе от - пространственной ориентации[45 , 28].

Метрологическое обеспечение канала •скорости течения базируется

на Государственном эталоне скорости водного потока согласно поверочной схеме по ГОСТ 8.486-83. Поверка канала измерения направления на меридиан выполняется по ГОСТ 8.017-79, а инклинометров - по ГОСТ 8.016-81. В векторно-осредняющих СИ АЦИТ-У и ВЕКТОР эти поверки совмещаются с

метрологическим контролем аппаратурной реализации алгоритма обработки сигналов на выходах первичных преобразователей скорости и устройств определения их ориентации в соответствие со способом, защищенным авторским свидетельством.[16].

Наряду со стандартными, предложен ряд других методов и средств контроля метрологических характеристик пропеллерных датчиков в условиях серийного производства [1].

3.4.Канал измерения волнения. Основной проблемой при создании СИ волнения является значительный уровень методических погрешностей при аппаратной реализации известных измерительных алгоритмов в автономных приборах. Для их снижения использовался гидростатический принцип измерения с предварительной обработкой сигналов, поступающих от датчика давления. В результате получают первичную информацию о двух основных энергонесущих элементах волнения: его амплитуде Нв и периоду tB. При этом за амплитуду волнения принимается интегральная сумма отклонений текущих колебаний уровня h(t) моря от его среднего значения hep за определенный интервал времени to, а за величину периода .отношение этого интервала к числу Nb волн, в месте выполнения измерений(рис.3 . 4 . ) В соответствии с вышеизложенным алгоритм измерения параметров волнения имеет следующий вид:

и. = |h(t)-hcp|dt г t.-Ja. •

u о п в

Гидростатический принцип измерения волнения основывается на физически обоснованных зависимостях колебаний гидростатического давления AP(t) на некоторой глубине Нд от волновых - уровня моря на его поверхности. В свою очередь:

AP(t)=[h(t)-hcp]gpY, где д- ускорение свободного падения, у -коэффициент затухания волнового давления с глубиной, однозначно связанный с Нд и tB, ар- плотность воды.

Согласно проведенной серии исследований [1,21,31,38,46] установлено, что в автономных СИ наилучшим вариантом реализации данного алгоритма является комбинация аналоговой и дискретной обработки выходных сигналов датчика давления, как показано на рис.3.4.

В этом устройстве аналоговая часть производит выделение абсолютного значения отклонений AP(t) текущего значения давления P(t) от его среднего уровня Рср по каждой волне, а дальнейшая обработка и накопление осуществляется в цифровой

форме. Тогда формулы, описывающие алгоритм работы волноизмерительного канала, выглядят следующим образом:

1 г | 1 Г 1

^ -М (-„г№-1 ■> I

о ^Ь —о

где ш-число шагов дискретизации на интервале Ьо или при равномерном и постоянном шаге Д1:1=ДЪ измерительных

преобразование:

А. 1 ш . т

нв=-—11^1=—X М-

С0 руд~| тРУд~5 Число волн Ыв получают путем простого подсчета количества смен знака ДР(Ъ), а глубину расположения датчика Нд для определения у или колебаний уровня Ьу моря относительно ординара Ьо - путем дискретной обработки сигнала с гидростатического датчика по следующему

'срр

} |ДР(1:)|сИ:

1

-]Г |др(фц

алгоритму:

АЦПР1 ■ 1Р1

АЦПДР1 ХДР1

СТЫ

ОЗУ

Рис.3.4. Канал измерения поверхностного волнения

Метрологическое обеспечение такого СИ осуществляется путем поверки канала гидростатического- давления согласно поверочной схеме ГОСТ 8.017-79 в рабочем диапазоне измеряемых глубин и волн. Дополнительно выполняется экспериментальная проверка алгоритма обработки информации о волновом давлении в каждом образце вышеописанного устройства. В связи с отсутствием в настоящее время образцовых средств измерения волнения и исключительной трудоемкостью проведения всех экспериментов в натурных условиях калибровка волноизмерительного канала станции ДУ-МГ и системы "WAVE-VECTOR" была проведена на специально разработанной для этих целей лабораторной установке. Подробные описания установки и методики приведены в работах [1,23]. Впоследствии в полевых условиях результаты измерений согласовывались с данными визуальных наблюдений за волнением, выполняемых согласно действующим методическим указаниям.

3.5.Гидроакустические зондирующие измерительные системы. Автор непосредственно решал измерительные задачи применительно к следующим ИИС:

- портативным промерным эхолотам[18];

- гидролокаторам бокового обзора[51];

доплеровским акустическим измерителям скорости дрейфа льда и его толщины по осадке[50].

В промерных эхолотах измерительная задача целиком сводится к выделению и определению интервала времени задержки t3 между излученным и отраженным от дна эхосигналами с последующим представлением результата в виде

с

глубины места D. Исходный алгоритм следующий:d= tэ — , где С

- скорость звука в воде. Основной проблемой при создании такого рода СИ являются методические погрешности, связанные с изменениями скорости звука в воде в зависимости от глубины распространения акустических сигналов, температуры Т° и солености S воды.

Основываясь на априорных сведениях о распределении Т° и S по глубине в эхолотах "СКАТ-М" применена автоматическая коррекция текущего значения результата измерения в зависимости от длительности интервала времени задержки[2]. Аппаратурная реализация такого режима работы заключается в задании вполне определенного закона изменения частоты f3 заполнения измеряемого временного интервала t3. Этот закон • выражается следующим образом: fз=Со/2+ДС(t3)/2, где Со

скорость звука на поверхности воды при нулевой глубине, AC(t3) - функционал, характеризующий собой изменчивость скорости звука по глубине с учетом фактического распределения Т° и S, соответствующего данному району Мирового океана, где выполняются промерные работы.

Это позволило в портативных эхолотах "Скат-М" уменьшить погрешности измерения глубины в Северном Ледовитом океане с 200 до 10 м. Метрологическая аттестация таких СИ сводится к контролю их как средств измерения временных интервалов согласно ГОСТ.8.129-83. и проверке адекватности поправок в натурных условиях.

В гидролокаторах бокового обзора(ГБО). реконструирующих картину морского дна, осуществляется процесс измерения характеристик отраженных от дна акустических сигналов. Для получения более точной картины морского дна было предложено использовать для расчетов значения скорости распространения акустического зондирующего сигнала, которые учитывают фактическое распределение температуры и солености морской воды по глубине в месте проведения гидролокационной съемки.

Доплеровский акустический измеритель скорости дрейфа льда in situ был впервые описан в работе [49]. Принцип действия такого СИ заключается в измерении доплеровского сдвига частоты ffl отраженных от условной границы вода-лед эхосигналов, полученных в результате активной гидролокации льда по двум ортогональным направлениям. Зондирование выполняется сигналом частоты £з=150 кГц в импульсном режиме под некоторым углом 0 к вертикали(см.рис.3.5). В результате измеряемая частота доплеровского сдвига по каждому из направлений зондирований связана с соответствующей компонентой Vnl(2)скорости дрейфа льда выражением

Для учета влияния пространственного фактора и исключения соответствующих погрешностей, по аналогии с измерителями течения, в состав сонара автором включены двухкомпонетный инклинометр и магнитный компас.

Основные сложности разработки предложенного

измерительного устройства связаны с необходимостью реализации в нем точного(0,05%) измерения частоты отраженного акустического сигнала длительностью порядка 1520 мс при соотношении сигнал/шум порядкаЗ:1. Были предложены, разработаны и испытаны устройства для решения

указанной измерительной задачи применительно к автономным ИИ С [49,50]. В результате натурных экспериментов установлено, что достоверное определение доплеровского сдвига частоты порядка 1-2 Гц выполняется при обработке принятого отраженного сигнала с привлечением дискретного преобразования Фурье для финитных функций.

В данном случае в качестве таких функций выступают реализации отраженного сигнала I(t) на промежуточной частоте пр.=2048 Гц приемного усилительного тракта. Тогда разница частот промежуточной и соответствующей максимуму модуля спектральной плотности |S(fj)|={|SI(f)|}max этого сигнала I(t) эквивалентна искомой частоте fд доплеровского сдвига: ffl=fj-fnp. Структура построения такого устройства показана на рис.3.5.

Метрологическое обеспечение канала измерения скорости дрейфа льда базируется с одной стороны на общегосударственной системе обеспечения единства измерений и соответствующих стандартах, регламентирующих порядок аттестации и поверки СИ частоты, плоского угла(инклинометр), магнитны* компасов, а с другой - на аттестации алгоритмов измерений, заданных формулой (3.2). В этой части проведены экспериментальные исследования в натурных условиях,

подтвердившие совпадение результчтов измерений данным прибором с реальным процессом движения льда [49].

Для получения информации о толщине пьда по результатам измерения его осадки hn в состав системы "Ледовый сонар" включены датчик гидростатического давления и обратный эхолот[52]. Данные о гидростатическом давлении Р на горизонте расположения обратного эхолота и расстоянии D до нижней кромки льда являются достаточными для определения hn по формуле

h„ = -L - d = -L - tD ~ (3.3)

pg pg I

где tD - время прохождения сигнала (fiiатного эхолота до льда и обратно.

Таким образом, измерительная задача получения информации об осацке ледяных полей целигрм сводится к ранее рассмотренным вопросам, связанным с измерениями глубины промерными эхолотами и уровня гидростатическими датчиками давления. В полной мере это относится к метрологической аттестации той части доплеровского сонара, которая выступает в качестве СИ осадки льда .

Ввиду того, что плотность воды р и скорость С распространения в ней акустических сигналов являются функциями T,R и Р, то для обеспечения 2-3% точности измерений Vn и Ьл в систему введены датчики температуры и электропроводимости, с помощью которых уточняются значения С и р для данного района работ.

3.6.Выводы. В результате выполненной работы были практически осуществлены принципы операционалистского подхода к процедуре и объекту океанографических измерений, заложена научно-техническая основа для проектирования, организации производства и эксплуатации автономных систем, реализующих разработанные алгоритмические методы повышения качества комплексных измерений основных океанографических величин.

4.ПРОИЗВОДСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 4.1.Технология ' проектирования и производства.

Практическая реализация сформулированных выше принципов построения автономных ИИС в виде конкретных технических средств потребовало разработки целой серии схемных, конструкторских- и технологических решений, подробно

1(1

изложенных в работах (1+20,22,35,38,39,41,47). Наиболее значимыми из них являются:

- общая структурная схема и принципиальные схемы отдельных узлов и блоков океанографического комплекса АЦИТ, состоящего из автономного цифрового измерителя направления и скорости водного потока, температуры, электропроводимости и давления воды (АЦИТ); и устройства обработки данных (УОД) к нему, защищенных рядом авторских свидетельств [3,4,8,12,13,14];

общая структурная . схема и полный комплект схем электрических принципиальных на унифицированный автономный цифровой измерительный комплекс АЦИТ-У, состоящий из векторно-осредняющего измерителя скорости течения АЦИТ-У-01, CTD-измерителя АЦИТ-У-02, блока обработки данных (БОД),защищенных рядом авторских свидетельств [5,6,7,9,15];

- общая конструкторская компоновка измерителя АЦИТ-У-01 и датчика скорости водного потока, защищенная авторскими свидетельствами (10, 11];

структурные схемы : автономного измерителя "ВЕКТОР", волноизмерительной системы "WAVE-VECTOR", телеизмерительных морских прибрежных станций "Прилив", "Мониторинг", ДУ-МГ (дистанционное устройство морское гидрологическое) защищенные авторским свидетельством[9];

общая структурная схема, все принципиальные схемы и элементы конструкции портативных эхолотов "Скат" и "Скат-М", защищенных авторским свидетельством [2];

- принципиальные схемы устройства сопряжения управляющей ЭВМ с ИВК подводных аппаратов "Меридиан";

принципиальные схемы измерительных каналов азимутальной ориентации и глубины для портативных систем подводной навигации легкого аквалангиста;

общая конструкторская компоновка и структурная схема измерительной системы "Ледовый сонар".

Основные характеристики большинства из указанных измерительных систем приведены в таблице.

Технология проектирования этих . автономных ИИС базировалась на следующих, сформулированных автором и внедренных в процесс принятия решения взаимосвязанных требованиях принципиального характера [1,35].

Первое, требование - это минимум аппаратурных затрат и энергопотребления в подводной или мобильной, части системы. Данное требование обеспечивается соответствующим выбором

элементной базы электронных узлов и блоков, разработкой оригинальных схемно-тёхнических решений [12,17,19], переносом основной обработки из подводной в надводную бортовую часть комплексов! 40] .

Развитие, океанографической техники осуществлялось по мере появления новых электронных компонентов. Сначала были спроектированы и поступили потребителям автономные приборы 1-го поколения: АЦИТ и эхолоты "Скат", построенные на микросхемах малой и средней степени интеграции; потом 2-го

Технические и метрологические характеристики автономной _океанографической измерительной техники _

Наименование характеристик Наименование океанографической измерительной техники

Технические АЦИТ АЦИТ-У ДУ-МГ ВЕКТОР WAVE-VECTOR Ледовый сонар

Срок автономной работы, мес 6 12 12 12 12 4

Масса,кг 36 24 36 8 8 38

Тип ОЗУ МК-60 RAM МХ-60 RAM RAM EPROM

Канал связи, тип/дальность г-а/2км г-а/2км кабель/ 5 км г-а/4км г-а/1км

Измеряемые величины Диапазоны/Погрешности

Скорость течения VT,M/C 0,02-2/ 0,05± 0,1 VT 0,02-2/ 0, 05± 0,1 VT 0,02-2/ 0,05± 0,1VT 0,02-2/ 0,05+ 0,05VT 0,02-2/ 0,05± 0,05VT

Направление течения,...". 360/±10 360/±8 Зб0/±12 360/±5 360/±5 -

Температура, "С ±0,08 +0,05 ±0,1 ±0,05 - ±0,1

Соленость, епс 40-2/ ±0,1 40-2/ +0,05 20-0,2/ ±0,1 40-2/ ±0,05 - 40-2/ ±0,1

Глубина, м 6000/±5 0 6000/±2 0 500/±5 6000/±10 1000/±5 500/±0, 5

Высота волны Нв, м - - 25-»-0,5/ ±0,1Нв - 20+0,5/ ±0,1Нв -

Период волнения tB,C - - 20+2/ ±0,ltB - 20+2/ ±0,Its -

Скорость дрейфа льда Ул,м/с - - - - - 0,1+2/ 0, lVn

Направление дрейфа, - - - - - 360/±15

поколения: АЦИТ-У, ВЕКТОР и телеизмерительные станции - на БИСах и полупроводниковых ОЗУ, вслед затем 3-го - WAVE-' VECTOR, ИВК "Меридиан" "Мониторинг-2", АЦИТ-У02, изготовленных с использованием микропроцессорного комплекта 588 серии и четвертого: система "Ледовый сонар" и

гидрологические модули АГМСБ для морских буровых платформ -с применением встроенных в датчики однокристальных микропроцессоров и энергонезависимыми элементами памяти.

В бортовой части автономных океанографических ИИС используются персональные компьютеры типа IBM PC/AT с прямым сопряжением с датчиками-измерителями для считывания данных из ОЗУ, или для приема поступающей от них по каналам связи информации в реальном масштабе времени[39,40].

Второе требование: высокая эксплуатационная, включая метрологическую, надежность. Это достигается выбором образцовых элементов и материалов для изготовления датчиков, устойчивых к длительному агрессивному воздействию морской среды; введением автокалибровок, и даже применением уникальных высокостабильных АЦП трансформаторного типа. В дополнение к вышеизложенному разработан и реализован целый ряд оригинальных схемных и конструкторских решений, практически исключающих нарушение герметичности подводной части автономной океанографической аппаратуры [1,9].

Третье требование: технологичность при изготовлении. Выполнение данного требования достигается проектированием ИИС с учетом возможностей производственной базы изготовителя и применением поэлементного контроля процесса производства, так как включение в состав данной аппаратуры встроенных систем диагностики увеличивает ее подводную часть. Применительно к рассматриваемым устройствам под методическим руководством автора разработана целая серия нормативных документов, регламентирующих этот процесс. Здесь важно было достигнуть в конструкции серийно изготовляемых комплексов оптимального сочетания покупных элементов и оригинальных -собственной разработки и производства.

Четвертое требование: конкурентоспособность

удовлетворяется только при выполнении первых трех требований, а также при рентабельном производстве и правильном учете состояния рынка сбыта. Для достижения этой цепи при создании аппаратной части океанографических ИИС 4-го поколения в максимальной степени применялись готовые, покупные изделия с включением только отдельных элементов собственной разработки, выполненных на уровне "ноу-хау". Таким образом процесс проектирования был практически целиком перенесен в программную и алгоритмическую область. Одновременно выполнялись работы по маркетингу и выбору покупных компонентов. Тогда процесс производства

ограничивается только сборкой, отладкой, испытаниями и поверкой(калибровкой) поставляемых на рынок изделий.[35].

Данный подход полностью соответствует мировым тенденциям проектирования и производства наукоемкой продукции малыми сериями, так как обеспечивает наиболее быструю и адекватную реакцию на изменения конъюнктуры рынка.

4.2.Методика применения. Получение качественной

информации о физических процессах океана тесно связано с правильно выбранной методикой применения и обслуживания используемой измерительной техникой. Для снижения уровня методических погрешностей разработаны подробные методические указания по применению вышеописанных комплексов.

Эти методические указания в равной степени включают: правила, контроля исправности измерительной аппаратуры и сохранения ее метрологических характеристик в условиях эксплуатации, правила проведения регламентных работ , методики выполнения измерений, отвечающих техническим возможностям СИ. Примером такой работы, выполненной автором являются "Методические указания по эксплуатации океанографического измерительного комплекса АЦИТ", введенных с 1.10.88 в качестве стандарта предприятия ААНИИ СТП.17.54-88. Для контроля сохранности метрологических характеристик АЦИТ в- условиях эксплуатации на основе серий исследований, проведенных в натурных условиях, разработан ряд устройств и методик вошедших в вышеуказанное СТП[32].

4.3.Экономические аспекты производства и сбыта .Реальное состояние рынка оказывает определяющее воздействие на процесс изготовления и применения любых товаров и услуг, в качестве которых в данном 'случае выступает измерительная техника в океанографии. В 70-80-х годах потребность в указанной технике целиком определялось наличием заказов в интересах Росгидромета и Главного управления навигации и океанографии(ГУНИО) Министерства обороны РФ. В соответствии с их потребностями на Рижском опытном заводе гидрометеоприборов(РОЗ ГМП) в 1976 г. было развернуто серийное производство комплекса АЦИТ, предназначенного для ведения океанографических наблюдений на автономных буйковых станциях. Этот комплекс в 19 7 5 г. выдержал Государственные испытания, был внесен в Государственный реестр средств измерения за N 6863-78 и далее в течении 15 лет до 1990 г. серийно выпускался на РОЗ ГМП по ТУ25-11-1279-76 с Государственным регистрационным N 1657373 от 25.02.77. За

эти годы было изготовлено около 3000 измерителей АЦИТ, а изделий УОД - 400 шт. График выпуска по годам приводится на рисунке. Комплекс применяется по настоящее время повсеместно на сети Росгидромета и судах ГУНИО. Годовой экономический эффект от его внедрения в народном хозяйстве, подтвержденный заводом-изготовителем, составил в 19 81 г. около 60 0 тыс.р. При пересчете на уровень цен 1995 г. величина эффекта эквивалентна 3 млрд.р. Следовательно, суммарный экономический эффект за прошедшие 15 лет выпуска и эксплуатации комплексов АЦИТ приближается к 40 млрд.р.

Число

приборов, шт

График выпуска и эксплуатации изделий АЦИТ и Вектор На смену модели АЦИТ был разработан комплекс АЦИТ-У. В 19 90 г. он прошел государственные испытания и был внесен в Государственный реестр СИ за N 12643-91.(26,47] В 1991-92 гг. выпущена опытная партия из нескольких десятков АЦИТ-У-01, АЦИТ-У02. В это же время на Заводе штурманских приборов с участием фирмы "СП ИНТААРИ" было изготовлено около 30 измерителей "Вектор" аналогичного назначения. Однако в связи с изменившейся конъюнктурой рынка крупносерийное производство таких комплексов не было развернуто. Как показывает анализ состояния отечественного рынка океанографической техники(см. рисунок), это связано с тем, что в России и странах СНГ максимальная потребность в приборах данного назначения составляет 300-400 шт. и было обеспечено еще в начале 80-х годов, а затем наступило насыщение рынка. Таким образом по состоянию на 1995 г.

перепроизводство составляло около 300 автономных океанографических комплексов.

При стабилизации отечественной экономики, в 1997 г. может предполагаться осторожное оживление спроса на такую технику. Это обусловлено естественными при морских работах потерями автономных приборов и их физическим износом после нескольких лет эксплуатации. По предварительной оценке в 20 0 0 г. потребность в изделиях,,ВЕКТОР" может составить около 75-80 шт. в год, что соответствует обороту 1,5-2 млрд.р. в год.

В течении 80-х годов была изготовлена серия телеизмерительных морских прибрежных станций "Прилив", "Мониторинг", ДУ-МГ партиями из нескольких штук по заказам Росгидромета, ВНИИГа, Минводхоза. Комплекс ДУ-МГ на крнкурсной основе был выбран для автоматизации прибрежных гидрологических наблюдений на сети Росгидромета. Однако в связи с изменившимися экономическими условиями этот процесс приостановился. В настоящее время по мере увеличения расходов на содержание инфраструктуры сети в труднодоступных районах арктического побережья следует ожидать возобновления спроса на эти автономные системы. Емкость рынка по данной позиции составляет 200 единиц, но реальный уровень государственных инвестиций в российскую гидрометслужбу даст возможность в ближайшем будущем производить не более 10 станций в год на сумму до 0,5 млрд. р.

Кооперация усилий "СП ИНТААРИ", ГНЦ ■ РФ ДАНИИ и • Норвежского полярного института позволила создать в период 1992-95 гг первые опытные образцы системы "Ледовый сонар". Ожидаемая потребность отечественного рынка в этих приборах оценивается по числу морских добычных платформ на арктическом шельфе, вокруг которых на 3-4 наиболее опасных в ледовом отношении направлениях планируется устанавливать такие сонары. Это может составить объем производства для поставок на российский рынок до 0,5 млрд. р. и принести дополнительную прибыль г1ри их эксплуатации. Учитывая отсутствие аналогичной техники на международном рынке, возможно расширение объемов продаж до 10-15 сонаров в год и увеличение годового оборота почти до 2,5 млрд.р. В равной степени это относится к системе ,WAVE-VECTOR, первые экземпляры которой поступили от "СП ИНТААРИ" иностранному заказчику.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации на основании обобщения собственного опыта и анализа мировых тенденций развития морской техники, комплекса теоретических и практических разработок сформулированы и изложены технические решения, способствующие ускорению научно-технического прогресса в области океанологического приборостроения. На базе

полученных результатов решена важная народнохозяйственная задача по оснащению наблюдательной сети отечественной гидрометеослужбы современной океанографической измерительной техникой, предназначенной для работы в автоматическом режиме. Основные результаты диссертации формулируются следующим образом:

1.Предложена математическая модель океана как объекта измерения в виде многомерного поля случайных величин основных океанографических параметров различной физической природы: скоростей течения и дрейфа льда; температуры, солености и плотности морской воды, глубины осадки льда; колебаний уровня и волнения поверхности воды, глубин океана и рельефа дна; определены функции взаимного влияния от неинформативных компонент этого поля.

2. На основе операционалистского подхода существенно развита теория дискретных НИС применительно к задачам океанологических измерений in situ, с учетом сложного многопараметрического взаимодействия единого природного объекта измерения с датчиками систем, имеющих пространственную протяженность и различную инерционность.

3.Разработаны принципы построения и. метрологического обеспечения автономных ИИС основных океанографических величин, включая новые методы их поверки.

4.Разработаны алгоритмические методы повышения точности океанографических измерений автономными средствами.

5.Разработан ряд новых методов и алгоритмов коррекции пространственных нелинейностей и динамических эффектов CTD-датчиков, пропеллерных датчиков скорости водного потока, гидроакустических зондирующих систем, а также повышения их эксплуатационной и метрологической надежности, схемные и конструкторские реализации которых защищены 14 авторскими свидетельствами на изобретения, в том числе и на способ измерения.t

6 Определены оптимальные соотношения аппаратных и программных составляющих, подводной и надводной частей автономной океанографической ИИС при их различной технической реализации.

7. Разработана научно-методическая основа нормирования метрологических характеристик и оценивания погрешностей результатов океанографических измерений in situ, внедренная в отраслевые нормативные документы, в программы государственных и ведомственных испытаний различных океанологических СИ, методические указания по их эксплуатации.

8.Разработана и реализована научнообоснованная концепция создания автономной океанографической измерительной техники, продвижения ее на рынок и внедрения в практику морских работ, учитывающая физическую природу объекта измерения , фактическое состояние производственно-технологической базы и действующие экономические условия.

9.Создано несколько поколений и модификаций отечественных автономных океанографических измерительных систем АЦИТ, АЦИТ-У, "ВЕКТОР", "Мониторинг", ДУ-МГ, которые используются на сети Росгидромета, судах ГУНИО, поставляются отечественным и зарубежным Заказчикам, с суммарным экономическим эффектом более 4 0 млрд.р.

10.Сформулирован и внедрен в практику научно-обоснованный подход к организации и методике проведения океанографических измерений автономными приборами с буйковых, телеизмерительных, прибрежных и ледовых станций, а также необитаемых телеуправляемых подводных аппаратов, включенный в стандарты эксплуатирующих предприятий.

11.Существенно повышено качество получаемой информации о гидрофизических полях океана за счет комплексности наблюдений и интеллектуализации датчиков, применяемых в указанных системах.

12.Разработаны специальные установки и соответствующие методики для динамических испытаний датчиков скорости потока воды с целью оценивания их метрологических характеристик в рабочих условиях, технические средства и методы контроля сохранности метрологических характеристик автономных измерительных комплексов в условиях эксплуатации.

13.Выполнен анализ состояния и определены перспективы отечественного рынка сбыта океанографической измерительной техники и услуг, оказываемых с ее помощью.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

Монография: :

1. Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 256с.

Авторские свипетепьства на изобретения:

2. A.c. N 575936 СССР,МКИ2 GOld. Цифровой эхолот/ И.С.Ковчин, Г.Д.Тимрот(СССР). № 324567211/ 10-24; Заявл. 23.05.77,ДСП

3. A.c. N 680020 СССР, МКИ2 G08c 19/28. Устройство для телеизмерения гидрологических параметров / И.С.Ковчин, Р.А.Балакин (СССР). № 2489476/18-10; Заявл. 23.05.77; Опубл.15.08.79, Бюл. № 30. -1 с.

4. A.c. N 682932 СССР, МКИ2 GOlp 3/28. Преобразователь угла поворота вала в цифровой код. / И.С.Ковчин, Р.А.Балакин, А.Н.Зушинский(СССР). № 2489476/18-10; Заявл. 23.05.77; Опубл.15.08.79, Бюл. № 32. -1с.

5. A.c. N 759963 СССР, МКИ2. GOlp 5/06. Способ измерения морских течений. / И.С.Ковчин, Р.А.Балакин, (СССР). № 2489476/18-10; -Заявл. 23.05.77. ДСП.

6. A.c. N 808936 СССР, МКИЗ GOlp 3/54, 5/06. Устройство для автоматических измерений скорости и направления вращения/ И.С.Ковчин, С.А.Юновидов (СССР). № 2759857/18-10; Заявл. 28.04.79; Опубл.28.02.81, Бюл. № 8. -1 с.

7. A.c. N 1150543 СССР, МКИЗ G01p5/06. Устройство для измерения скорости морских течений/ И.С.Ковчин (СССР). № 3649810/10-24; Заявл. 10.10.83; Опубл.28.02.81, Бюл. № 14. -1 с.

. 8. A.c. 1283884 СССР, МКИЗ G11B 5/09. Устройство для воспроизведения цифровой магнитной записи в страт-стопном режиме / И.С.Ковчин, В.С.Харитоненков(СССР) . К 3888864/2410; Заявл. 24.04.85; Опубл.15.01.87, Бюл. № 2. -1 с.

9. - A.c. 1325301 СССР, МКИЗ G01D 5/12. Устройство для автоматического' измерения гидрологических параметров/И.С.Ковчин (СССР). № 3923884/24-21; Заявл. 08.07.85; Опубл.23.07.87, Бюл. № 27. -2 с.

10. A.c. 1340004 СССР, МКИЗ G01-D 5/12. Самовсплывающая глубоководная станция для океанографических исследований /И.С.Ковчин, В.М.Абрамов (СССР). № 3923884/24-21; Заявл.

0 8. 0 7 . 85 ;. ДСП. -

11. A.c. 1418623 СССР, Устройство для определения направления вращения /И.С.Ковчин, С.А.Юновидов (СССР). №4029262/24-10; Заявл. 26.02.86;Опубл.23.08.88 , Бюл. № 31.-1с.

12. A.c. 1437916 СССР, МКИЗ G 11с 11/00 Запоминающее устройство / И.С.Ковчин (СССР). № 4122923/10-24; Заявл. 24.09.86; Опубл.15.11.88, Бюл. № 42. -1 с.

13. A.c. 1444957 СССР, МКИЗ Н ОЗМ 7/12 Преобразователь кодов / И.С.Ковчин, В.С.Харитоненков(СССР) . № 4122923/10-24; Заявл. 24.09.86; Опубл.15.11.88, Бюл. № 42. -1 с.

14. A.c. N 1508837 СССР, МКИЗ G ОЗМ 7/12 Устройство для приема телеметрической информации / И.С.Ковчин,

B.C.Харитоненков, Д.А.Зограф.(СССР). № 4122923/10-24; Заявл. 24 . 09.86;ДСП.

15. A.c. N 1520451 СССР, МКИЗ GOld 5/06 Устройство для измерения скорости и направления течения / И.С.Ковчин,

C.А.Юновидов (СССР). № 4122923/10-24; Заявл. 24.09.87; Опубл.15.11.89, Бюл. № 41. -4 с.

16. - A.c. N 1769143 СССР, МКИЗ GOld 5/06 Способ поверки векторных измерителей течения с вертушечными датчиками / И.С.Ковчин, Д.А.Зограф (СССР). № 4122923/10-24; Заявл. 24.09.87; Опубл.15 .11. 92, Бюл. № 38. -2 с.

Статьи и брошюры;

17. Методика подбора десятичных счетчиков в схеме деления кодов// Изв.вузов. Приборостроение,- 1976.- N 1.-С.26-29.

18. Малогабаритный промерный эхолот "Скат-М".// Проблемы Арктики и Антарктики. - 1977.- Вып.51.-С.56-58. (соавтор -Г.Д.Тимрот).

19. Принципы построения электронных кварцевых часов// Проблемы Арктики и Антарктики.- 1977.-Вып.51.-С.58-62(соавторы - Ю.А.Гродецкий, В.Н.Титов).

20. Результаты разработки и экспериментальных исследований измерителя скорости течения АЦИТ-М//Труды ГОИН.- Гидрометеоиздат., 19 85 .-Вып.163.-С.84-89 (соавтор

Р.А.Балакин).

21. Опыт ААНИИ по совершенствованию измерительного <омплекса АЦИТ.//Технические средства освоения Мирового экеана: Всесоюзн. конф., Геленджик, 1985.- С.53.

22. Совершенствование измерителя гидрологических зараметров АЦИТ//Труды ГОИН.-Гидрометеоиздат., 1987.-Зып.184.-С.57-83 (соавтор - С.А.Юновидов).

23. Метрологическая, аттестация методов и средств гидрометеорологических измерений в Арктике и Антарктике//Полярная и региональная океанология:III съезд советских океанологов., Ленинград, 198 7.-С.190-19 2 (соавторы - В.А.Шамонтьев, Н.Г.Гильченко).

24. Исследование метрологических характеристик компаса АЦИТ//Технические средства и методы исследования Мирового океана: Всесоюзн.конф., 1987. Т.1.-С.5 (соавторы

B.М.Абрамов, A.C.Пушев).

25. Оценка погрешностей измерения "скорости течения двухкомпонентным датчиком потока//Метрология., 19 87. Вып. 7.-С.21-25.

26. Автоматизированный комплекс для измерения параметров океанического течения//Техника, методы измерений и обработки данных: III съезд советских океанологов., Ленинград, 1987.-

C.64-66(соавтор - С.А.Юновидов).

27 Динамические погрешности роторных преобразователей в сильно флуктуирующих потоках//Технические средства и методы исследований Мирового океана:Всесоюзн.конф., 1987. Т.1.-С.З-4 (соавторы - В.М.Абрамов, С.А.Заграничное).

28. Метрологическая аттестация средств измерения скорости океанического течения//Технические средства и методы исследования Мирового океана: Всесоюзн.конф1987. Т.1.-С.56.

29. Моделирование динамики глубоководной станции для измерения придонных течений//Труды ААНИИ.- Гидрометеоиздат., 1988. Т.413.-С.114-121 (соавтор - В.М.Абрамов).

30. Установка для моделирования динамического режима функционирования датчиков скорости течения//Труды ААНИИ.-Гидрометеоиздат., 1988. Т.413.-С.121-127.

31. Результаты эксплуатации и исследований измерителя АЦИТ//Труды ААНИИ.- Гидрометеоиздат., 1988. Т.409.-С.8 3-9 3 .

32 Опыт по повышению эффективности использования АЦИТ//Проблемы Арктики и Антарктики.- Гидрометеоиздат., 1987. Вып.63.-С.114-121.

33 О динамических погрешностях океанологических измерителей модуля скорости течения с роторными преобразователями//Океанология, 1988. Том XXXIII, вып.З.-С.502-506 (соавторы - В.М.Абрамов, С.А.Заграничнов, Г.П.Клещева).

34. Аттестация средств измерения электрической проводимости морской воды на основе Шкалы практической

солености, 1978//Измерительная техника, ' 1989 , N 6.-С.31-36 (соавтор - Р.А.Бапакин).

35. Развитие средств измерения типа АЦИТ//Труды ГОИН.-Гидрометеоиздат., 1989. Вып.185.-С.136-143.

36. Результаты инструментальных измерений некоторых динамических характеристик притопленной буйковой станции// Труды ГОИН.- Гидрометеоиздат., 1989. Вып.185.-С.126-132 (соавтор - В.А.Гусев).

37. Результаты сравнительных испытаний, различных измерителей скорости течения // Актуальные проблемы развития океанографической информации:Всесоюзн. совещ., Обнинск.,

1989.-С.18 (соавторы - Ю.П.Клеванцов, А.С.Михайлов).

38. Телеизмерительная гидрологическая станция ДУ-МГ для морских прибрежных наблюдений//Технические средства и методы освоения океанов и морей:Всесоюзн. школа., М., 1989.Т.2.-С.9 (соавторы - Р.А.Балахин, А.А.Кривцов, В.С.Харитоненков).

- 39. Микропроцессорный СТД-измеритель/зонд АЦИТ-У-02//Технические средства и методы освоения океанов и морей:Всесоюзн. школа., М. , 1989.Т.2.-С.43 (соавтор

A.А.Кривцов).

40. Совершенствование судовой измерительной подсистемы гидрологических параметров//Труды ААНИИ.- Гидрометеоиздат.,

1990. Т.419.- С.34-42 (Ьоавторы - С.А.Юновидов,

B.С.Харитоненков).

41. Автоматизация обработки данных АЦИТ//Труды ААНИИ.-Гидрометеоиздат., 1990. Т.419.-С.2 2-34 (соавторы

C.А.Юновидов, В.С.Харитоненков).

42. Наблюдения за течениями с помощью прибора АЦИТ с борта дрейфующего судна//Труды ААНИИ.- Гидрометеоиздат., 1990. Т.419.-С.109-124 (соавторы - В.А.Гусев, С.М.Прямиков).

43. О термометрической погрешности терморезистивных датчиков температуры морской воды//Труды ААНИИ.-Гидрометеоиздат., 1990. Т.419.-С.73-86 (соавторы В.М.Абрамов, С.А.Заграничнов, А.Г.Тихомиров).

44. Натурный эксперимент по сравнению измерителей течения различного типа//Труды ААНИИ.- Гидрометеоиздат., 1990. . Т.419.-С.146-157 '(соавторы - Ю.П.Клеванцов, А.С.Михайлов, С.А.Юновидов).

45. Метрология измерителя океанических течений "Вектор"// Проблемы метрологии гидрофизических измерений: Всесоюзн. конфер., М., 1990.-С.24 (соавтор - Д.А.Зограф).

46. Состояние и перспективы обеспечения высокоширотны: морских экспедиций современной гидрометеорологическо) техникой//Проблемы Арктики и Антарктики. - Гидрометеоиздат. 1991. Вып.66.-С.184-195.

.47. Измерительный комплекс параметров течения АЦИТ-У// Серия: Приборы и оборудование,ВДНХ СССР.- М. , Гидрометеоиздат, 19 87. -14с.(соавтор С.А.Юновидов).

48 Measurement comparison of United Stated and Soviel calibration facilities and several ocean current meter// Technical Memorandum NOAA, NOS 31.- Rockville.,1984.-72p, (соавторы - A.N.Solomon, J.L.Kalvaitis, V.J.Prokhorov)..

49. Acoustic Doppler ice velocity Measurements (ADIM). -RAPPORT SERIA NR.84-OSLO 1993 R/V LANCE OCEANOGRAPHIC CRUISES, 1993.-P.32-33.(соавтор - S.Unovidov).

50. Притопленный доплеровский сонар для измерение толщины и скорости дрейфа льда// Конверсионные технологии гидроакустики: 1-я Санкт-Петербургская Международна* конференция:ГА-94.-С-Петербург., 1994 .-С.42-43 (соавторы -Р.А.Балакин, С.А.Юновидов).

51. Подводно-технические комплексы для работы на морское шельфе//Тез. докл. на симпозиуме-семинаре выст.:НЕВА-95., 1995.-С.16 (соавторы - Б.П.Иванишин, В.И.Иванов, А.П.Родичев). 4

52.Технология мониторинга ледовой и гидрометеорологической обстановки на морских нефтегазовых шельфах~в Российской Арктике//Тез. докл. 2-й Международной конф.:Освоение шельфа арктических морей России.,1995.-С. 152-153(соавторы - А.Н.Блинков, В.А.Фомин).

53. Разработка и исследование информационно-измерительной подсистемы параметров океанического течения :Автореф. дис. ...канд. техн . наук/ЛПИ. , Л.,1981. С.17.

Подписано к печати 11.11.96. Формат 60x841/16. Офсетная печать. Печ.листов 2,5;уч.-изд.л.2,5

_Тираж 100 экз. Заказ № 201_

"Издательско-полиграфический центр ЭТУ 197 3 76,г.Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова,5.