Bài viết đề xuất phương án xây dựng các trạm phát thủy âm phục vụ định vị phương tiện ngầm, từ đó cung cấp thông tin vị trí cho hệ thống dẫn đường quán tính để nâng cao chất lượng dẫn đường của hệ thống dẫn đường quán tính.
CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DẪN ĐƯỜNG THEO ĐỊNH VỊ THỦY ÂM TRỢ GIÚP HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH THE APPLICATION OF THE ACOUSTIC POSITIONING SYSTEM TO AID THE INERTIAL NAVIGATION SYSTEM NGUYỄN QUANG HUY1*, NGUYỄN VIẾT THÀNH2, PHẠM XUÂN DƯƠNG3 1NCS Ngành Khoa học Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 2Trung tâm Huấn luyện thuyền viên, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 3Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: huyhanghai@vimaru.edu.vn Tóm tắt Đối với phương tiện ngầm, hành trình ngầm nước chủ yếu dùng hệ thống dẫn đường quán tính để xác định vị trí, phục vụ mục đích dẫn đường Ưu điểm hệ thống dẫn đường quán tính hoạt động tự trị, khơng cần nguồn thơng tin tham khảo bên ngồi Tuy nhiên, sau thời gian, tích lũy sai số hệ thống dẫn đường qn tính lớn dần khơng đủ độ tin cậy để dẫn đường cần cập nhật lại vị trí Bài báo đề xuất phương án xây dựng trạm phát thủy âm phục vụ định vị phương tiện ngầm, từ cung cấp thơng tin vị trí cho hệ thống dẫn đường quán tính để nâng cao chất lượng dẫn đường hệ thống dẫn đường quán tính Từ khóa: Thiết bị ngầm, hệ thống qn tính, trạm thủy âm Abstract During the submerging phase of operation, underwater vehicles rely mostly on inertial navigation system (INS) for positioning and navigating The advantages of an INS are its autonomy and its independence from any other external sources of reference information However, after a period of time, the accumulated error of the inertial navigation system tends to grow significantly and needs updating This study focuses on a plan of constructing an acoustics station network for enhancing the position accuracy of underwater vehicles Keyworks: Underwater vehicles, INS, acoustics stations Giới thiệu Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS (Global Position System) Mỹ sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau, ứng dụng thiết bị di động, hỗ trợ định vị trình hoạt động cho thiết bị như: Tàu mặt nước, máy bay, tên lửa, bom hành trình, hay thiết bị bay không người lái, Đối với hệ thống GPS, tín hiệu vơ tuyến thu phát vệ tinh GPS, ngồi GPS có hệ thống khác làm việc địa điểm góc độ bề mặt Trái đất, nhiên chúng xuyên qua bề mặt nước Đặc thù hoạt động phương tiện ngầm hoạt động mặt nước, chúng cần có phương pháp dẫn đường riêng Hệ thống dẫn đường quán tính INS (Inertial Navigation System) đáp ứng yêu cầu với việc hoạt động tự trị, không cần nguồn tham khảo thơng tin bên ngồi Sau cung cấp vị trí đầu tiên, nhờ cảm biến quay gia tốc kế, liên tục cung cấp thông tin phục vụ dẫn đường cho phương tiện ngầm hướng đi, vận tốc, vị trí tư phương tiện Tuy nhiên, theo thời gian trơi quay thuật tốn hệ thống dẫn đường quán tính tích phân lần nên dẫn đến sai số lớn phải cập nhật lại vị trí ban đầu [4] Bản chất hệ thống dẫn đường qn tính dẫn đường dự tính, cần sử dụng phương pháp quan trắc hiệu để cập nhật bù trừ sai lệch Hiện có nhiều phương án kết hợp để giảm sai số cho hệ thống dẫn đường quán tính kết hợp INS/ GPS, INS/ DVL (kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính máy tính đường tuyệt đối),… Phương án kết hợp INS/ GPS đánh giá hiệu Tuy nhiên phương tiện ngầm hành trình ngầm nước, chúng khơng thể nhận tín hiệu từ hệ thống GPS Do vậy, để tàu ngầm thiết bị ngầm sử dụng tín hiệu GPS cho dẫn đường định vị cần thiết phải nhơ lên khỏi mặt nước theo chu kỳ thời điểm cần thiết Việc bình thường tàu ngầm thiết bị ngầm phục vụ nghiên cứu lĩnh vực dân sự, tàu ngầm thiết bị ngầm quân điều lại khơng thể, việc đảm bảo yếu tố bí mật, bất ngờ, yếu tố an tồn tác chiến,… Vì vậy, vấn đề đặt nhà khoa học cần phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Hệ thống định vị cho dẫn đường lòng đại dương điều cấp thiết chiến tranh đại Hệ thống định vị thủy âm nghiên cứu phát triển từ năm 1960 Mỹ Hệ thống đời đóng vai trò quan trọng việc xác định vị trí cho thiết bị nước cơng trình dầu khí ngồi khơi 10 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Do có ưu điểm quan trọng mặt kỹ thuật nên người ta đưa hệ thống định vị thủy âm ứng dụng lĩnh vực quân Nguyên lý hoạt động hệ thống dẫn đường thủy âm Về bản, hệ thống nghiên cứu thiết kế chế tạo bao gồm nguồn phát thu sóng âm bán kính hoạt động lớn, bố trí vị trí cụ thể lòng đại dương Mỗi thiết bị ngầm sử dụng Hệ thống cần phải trang bị đầy đủ thiết bị thu phát tương tự thiết bị thu phát tín hiệu GPS Khi hệ thống xử lý tín hiệu từ số nguồn phát dao động âm định cho phép xác định xác vị trí tức thời, độ sâu tốc độ chuyển động thiết bị ngầm Vấn đề đặt nhà khoa học tín hiệu sóng âm mơi trường nước nhiễu so với sóng vơ tuyến hệ thống GPS, nhiên nhà khoa học có phương án xử lý trừ khử nhiễu để việc dẫn đường định vị thủy âm đạt độ xác cao Định vị thủy âm dựa sở nguyên lý thủy âm học Các hệ thống dẫn đường là: máy đo tốc độ thủy âm bảo đảm đo tốc độ tàu tương đáy biển; hệ thống xác định xác vị trí đối tượng đại dương, dựa sở sử dụng hải đăng thủy âm (phao tiêu thủy âm); hệ thống đo độ sâu cho phép xác định vị trí đối tượng theo đặc trưng địa hình đáy đại dương, Các hệ thống dẫn đường với đài mốc thủy âm (các transponder responder) đặt đáy biển để xác định tọa độ đối tượng mặt ngầm nước Các đài mốc thủy âm cấu độc lập, tự động phát tín hiệu vào mơi trường nước xung quanh thu tín hiệu yêu cầu theo chương trình lập trước [1] Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống dẫn đường thủy âm với đường đáy sở 1- Bộ chuyển mạch thu - phát; 2- Bộ khuếch đại kênh thu; 3- Máy đếm khoảng cách tính tốn tọa độ; 4- Ăng ten thu-phát khoang; 5- Bộ khuếch đại công suất; 6- Máy phát chủ; 7- Ăng ten thu-phát; 8Bộ chuyển mạch thu-phát; 9- Khuếch đại thu; 10- Máy phát; 11- Bộ giải mã; 12- Các đài mốc thủy âm Định vị thủy âm cung cấp vị trí xác với độ ổn định cao khu vực giới hạn, phát triển ứng dụng khoảng cách xa khơi Hệ thống định vị thủy âm đo khoảng cách hướng đến mốc tín hiệu đặt đáy biển đặt ROV (Remotely Operated Vehicle - thiết bị vận hành từ xa) cá kéo Độ xác đạt phụ thuộc vào kỹ thuật sử dụng, khoảng cách điều kiện mơi trường Độ xác dao động khoảng từ vài mét đến dm Định vị thủy âm góp phần quan trọng việc hỗ trợ, hiệu chỉnh hệ thống dẫn đường quán tính để cung cấp vị trí tàu xác [1] Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống với đáy sở ngắn đài mốc thủy âm 1, 2, 3- Các máy thu; 4- Cảm biến định hướng thẳng đứng tàu; 5- Các kênh thu; 6- Các biến đổi khoảng cách thời gian thành điện áp mã; 7- Đưa vào số liệu dịch chuyển máy thu; 8- Bộ tính tốn biến đổi tọa độ; 9- Bộ hiển thị; 10- Đưa vào số liệu dịch chuyển đài mốc thủy âm tương điểm chuẩn đáy đất độ sâu đặt nó; 11Đài mốc thủy âm; 12- Ăng ten phát; 13- Khuếch đại công suất; 14- Máy phát chủ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 11 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Xây dựng hệ thống sở liệu phục vụ định vị, dẫn đường cho tàu ngầm phương pháp định vị thuỷ âm Xây dựng sở liệu hải dương, cho phép lưu trữ thông tin thu thập từ điểm khảo sát yếu tố hải dương biển Các nguồn số liệu sau xử lý lưu trữ sở liệu, nguồn liệu sử dụng để tính tốn ảnh hưởng yếu tố mơi trường nước biển đến tác nghiệp vị trí tàu ngầm Cơ sở liệu hải dương cho phép lưu trữ thông tin với số lượng lớn thuận tiện công tác truy vấn liệu Xây dựng phần mềm ứng dụng kết hợp cơng nghệ GIS tính tốn vị trí tàu mơ trực quan q trình chuyển động tàu ngầm lòng biển hải đồ điện tử Q trình tính tốn phần mềm kết nối với sở liệu hải dương để tính tốn ảnh hưởng yếu tố môi trường Để phục vị định vị dẫn đường cho tàu phương pháp định vị thủy âm, yêu cầu cần xây dựng hệ thống trạm phát tín hiệu sóng âm lòng biển Trong sở liệu cho phép lưu trữ thông tin trạm phát sóng âm thường xuyên cập nhật có thông tin thay đổi Các thông số trạm thủy âm sở để tính tốn khoảng cách từ trạm phát sóng đến điểm thu sóng tàu, từ xác định vị trí tàu Tương tự hệ thống “POSYDON” Mỹ [5] hệ thống “Positioner” Nga [6], tàu ngầm thu tín hiệu vị trí từ trạm phát thủy âm trở lên xác định vị trí quan trắc, từ đồng chỉnh hệ thống dẫn đường qn tính, nâng cao độ xác dẫn đường Hệ thống có chức tương tự trạm DGPS lắp bờ để hiệu chỉnh vị trí tàu theo GPS Hình Sự lan truyền âm nước Cơ sở liệu tổ chức thu thập cho phép lưu trữ giá trị vận tốc truyền âm môi trường nước biển Vận tốc âm điểm khảo sát lưu trữ theo tầng nước tiêu chuẩn Trong q trình tính tốn tùy thuộc vào tầng nước hoạt động tàu mà sử dụng nguồn liệu cho phù hợp Từ bảng thông tin trạm thủy âm sở liệu hải dương xác định thông tin vận tốc âm trạm thủy âm khảo sát trước Các trạm thủy âm bố trí Hình 4, máy thu âm tàu ngầm bố trí Hình Hình Sơ đồ bố trí trạm thủy âm phục vụ định vị phương tiện ngầm [2] 12 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Hình Bố trí máy thu âm tàu ngầm Giá trị vận tốc âm trung bình đường truyền xác định giá trị trung bình vận tốc âm vị trí tàu trạm thủy âm phát tín hiệu đến Vtb = (Vtrạm + Vtàu)/2 (1) Sau tính giá trị vận tốc âm trung bình đường truyền dễ dàng tính khoảng cách từ trạm thủy âm đến tàu Trong danh sách chọn trạm có khoảng cách gần tàu để sử dụng tính tốn vị trí tàu Giả sử tọa độ tàu P(, , h) ta sử dụng công thức: ( – Ti)2 + ( – Ti)2 + (h – hTi)2 = di2 (i) (2) Trong đó: Ti, Ti, hTi tọa độ trạm thủy âm thứ I; di khoảng cách từ trạm thủy âm thứ i đến tàu Từ phương trình trở lên ta xác định hệ phương trình bậc với ẩn số là: , , h Giải ma trận bậc ta thu , , h tọa độ sơ tàu Sử dụng lọc Kalman để hiệu chỉnh tọa độ tàu Thời gian lần tính tốn tàu là: ∆t = k+1t - kt (3) Vì khoảng thời gian ngắn ta coi quãng đường di chuyển đường thẳng quãng đường xác định theo cơng thức: k+1 k t) - Vs ( t) V ( k ds = Vs ( t)Δt + s (Δt) dt Qng đường tính theo cơng thức tọa độ: dm = [(k+1m - km)2 + (k+1m - km)2 + (k+1hm - khm)2 ]1/2 Giải toán thỏa mãn công thức sau: ɛ = |dm − ds | ds