CC BY
2ТЕХНИКА / ТЕХНОЛОГИИ | TECHNOLOGY / TECHNOLOGIES Оригинальная статья | Original paper
DOI:_УДК 681.883.072 + 528.74_
КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ОБСЛЕДОВАНИЮ ПОДВОДНОЙ ЧАСТИ АКВАТОРИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТНПА ОСМОТРОВОГО КЛАССА
В. А. Анищенко , С. А. Кичко , С. Г. Фокин Ж
АНО «Центр подводных исследований Русского географического общества», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация Ж [email protected]
Аннотация В статье анализируется структура комплексного или последовательного
подхода к обследованию акваторий. Отмечены основные этапы выполнения поисковой (гидроакустической) деятельности и визуального осмотра найденных целей, а также дальнейшего развития средств оценки и анализа подводных объектов: создание ортофотопланов и визуализация архива накопленных гидроакустических данных. Проведенный анализ определяет вектор развития оборудования для подводного поиска, дает понимание проведения подводно-технических работ.
Ключевые слова Подводный поиск, комплексный подход, гидроакустика, гидролокатор, многолучевой эхолот, подводно-технические работы, ТНПА, систематизация гидроакустических данных, подводная фотограмметрия, ортофотоплан.
Для цитирования Анищенко В. А., Кичко С. А., Фокин С. Г. Комплексный подход к обследованию подводной части акваторий с применением ТНПА осмотрового класса // Гидрокосмос. 2023. Т. 1, 1. № 1-2. С. 138-147. DOI: https://doi.org/
A COMPREHENSIVE APPROACH TO SURVEYING SUBMERGED AREAS USING AN INSPECTION ROV
V. A. Anis^enko , S. A. Kichko , S. G. Fokin ^
ANO "Underwater Research Center of the Russian Geographical Society", St. Petersburg, Russian Federation ^ [email protected]
Abstract This article analyzes the structure of a comprehensive or sequential approach to
surveying underwater areas. The main stages of search (hydroacoustic) activities, visual inspection of identified targets, and further development of means for assessing and analyzing underwater objects are noted, including the creation of orthomosaics and the visualization of the archive of accumulated hydroacoustic data. The analysis performed determines the vector of development of underwater exploration equipment and provides an understanding of the conduct of underwater technical operations.
Anischenko V. A., Kichko S. A., Fokin S. G. ^
Keywords Underwater exploration, comprehensive approach, hydroacoustics, sonar,
multibeam echosounder, underwater technical operations, ROV, hydroacoustic data systematization, underwater photogrammetry, orthomosaic.
For citation Anischenko, V. A., S. A. Kichko, and S. G. Fokin. "A Comprehensive Approach to
Surveying Submerged Areas Using an Inspection ROV." Hydrocosmos, vol. 1, 1, no. 1-2, 2023, pp. 138-147. DOI: https://doi.org/doi.org/ (In Russ.)
Центр подводных исследований РГО (ЦПИ РГО) — автономная некоммерческая организация, созданная в 2015 году Русским географическим обществом и Национальным центром подводных исследований для изучения и сохранения подводного наследия России.
Центр проводит уникальные по своей сложности глубоководные работы и участвует в международных исследовательских программах. Особое внимание уделяет изучению и систематизации археологического наследия, для чего реализует масштабные поисковые работы в Балтийском, Черном, Охотском и Белом морях, занимается созданием реестра затонувших подводных объектов, проводит их комплексные водолазные и аппаратные обследования, организовывает уникальные выставки поднятых археологических артефактов, прошедших консервацию в собственной лаборатории Центра.
Достижения ЦПИ РГО позволяют заниматься реализацией самых амбициозных планов, в т.ч. по созданию отечественных обитаемых и необитаемых подводных аппаратов.
Широкое разнообразие имеющейся техники и наличие высококвалифицированных специалистов привело к созданию проектно-инженерного отдела, деятельность которого включает в себя широкий фронт подводно-технических работ (ПТР).
В докладе подробно рассмотрено комплексное применение специалистами ЦПИ РГО технических средств и методов гидроакустических исследований акваторий: начиная от выполнения поисковых работ с помощью гидролокатора бокового обзора (ГБО) или многолучевого эхолота (МЛЭ), заканчивая построением на основе обнаруженных подводных аномалий информативных 3D-моделей, которые хранятся в интерактивной онлайн-базе исследованных районов.
Комплексный подход к работам
Современный подход к поиску и идентификации подводных объектов подразумевает задействование широкого спектра технических средств, включая ГБО, МЛЭ, профилограф, магнитометр, необитаемые подводные аппараты (НПА) и обитаемые подводные аппараты (ОПА). Что, в свою очередь, позволяет сформировать комплексную картину акваторий, включая данные о подводных объектах не только природного, но и техногенного происхождения, например: старинных парусниках, перевозивших грузы, или боевых кораблях периода Великой Отечественной войны.
В представленной статье комплексный подход апробирован на примере затопленного российского парусно-винтового деревянного клипера «Джигит».
Объект—деревянный корпус трехмачтового парусно-винтового корабля, обшитый медными листами. Затоплен артиллерийским огнем на внутреннем Транзундском рейде как судно-мишень во время императорского смотра Практической эскадры броненосных судов 2 июля 1869 г.
Длина по палубе — 52 м;
Ширина по палубе — 8,5 м;
Возвышение над грунтом — от 3 до 3,5 м;
Глубина — 12-13 м;
Район — Транзундский рейд в проливе между островами Кормовой и Новик.
Состояние изученности. Получены гидроакустические изображения, определено положение в пространстве, проведен водолазный осмотр, выполнена видеосъемка, на основании которой составлен фотоплан палубы клипера.
Степень сохранности. Полностью сохранившийся корпус, имеющий повреждения
-V-
в палубе вследствие извлечения паровой дви-жительной установки и пробоины от ядер в бортах.
Правовой статус. Включен в Перечень объектов культурного наследия Ленинградской области (акт № 55/Д от 15.08.2003)1.
Центр подводных исследования выполняет работы поэтапно:
1) ГБО «ГАЛС-250»;
2) МЛЭ Teledyne Seabat T50-R;
3) ТНПА Argus mini.
Поиск подводных аномалий на обширных территориях морского дна
На первом этапе используется ГБО «ГАЛС-250» с рабочей частотой 250 кГц. Ширина полосы захвата у гидролокатора — 200метров максимум на сторону. В связи с этим поисковые работы с помощью ГБО являются одними из самых эффективных, так как с их помощью можно быстро и качественно исследовать большие площади морского дна2.
1 Лукошков А. В. Реестр кораблей и других объектов подводного историко-культурного наследия Российской Федерации. СПб.: БЛИЦ, 2017. Т. 1: Финский залив. Кн. 1: Корабли и суда XVIII века. 106 с.
2 Принцип дейстия ГБО // Научно производственная фирма «Экран» [Эл. ресурс]. URL: http://hydrasonars. ru/34-baza-znanij/329-2017-06-13-12-13-17 (посл. посещение: 04.02.2023).
Рис. 1. Сонограмма российского парусно-винтового деревянного клипера «Джигит» (изображение с ГБО). Из архива ЦПИ РГО
Анищенко В. А., Кичко С. А., Фокин С. Г.
Изображения, полученные гидролокационной системой бокового обзора, обладают высокой контрастностью, что позволяет без постобработки выявить характерные элементы подводных объектов (см. рис. 1). Такое изображение может использоваться профильными специалистами (историками, археологами) для первичной идентификации и дальнейшего использования в археологических отчетах.
Применение многолучевого эхолота
МЛЭ также является средством поиска, однако применяется в основном для детализированной съемки объектов на дне.
Решетка приемной акустической антенны располагается перпендикулярно передающей антенне, формируя большое количество приемных лучей (узконаправленных перпендикулярно линии пути), направленных с помощью алгоритмов формирования лучей одновременно в разные стороны под разными углами от плоскости линии пути.
Число лучей у разных производителей различно, на локаторе Teledyne Seabat T50-R их 1024. Разрешающая способность локатора — 0,5*0,5 градуса. Антенна крепится к борту судна на металлической штанге.
МЛЭ имеет полностью изменяемую частоту от 190 до 420 кГц, что позволяет улучшить характеристики полосы захвата и сократить время съемки в сложных гидроакустических условиях. Установленный в стойку процессор сонара поставляется с опциональной полностью интегрированной инерциальной навигационной системой (INS) Applanix POS MV3.
POS MV объединяет данные Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) с данными об угловой скорости и ускорениях, полученными от датчиков динамического перемещения и курсоуказателя, для определения надежных и точных данных о пространственной ориентации объекта в шести степенях свободы.
В практической деятельности МЛЭ устанавливается на судне-носителе с закрепленной на борту штангой. После включения системы судно встает на заданный курс и осуществляет
3 Лукошков А. В. Реестр кораблей и других объектов подводного историко-культурного наследия Российской Федерации. СПб.: БЛИЦ, 2017. Т. 1: Финский залив. Кн. 1: Корабли и суда XVIII века. 106 с.
Рис. 2. Иллюстрация работы МЛЭ — получение данных в реальном времени на рабочем мониторе оператора. Из архива ЦПИ РГО
движение галсами. В случае обнаружения на дне или в толще воды аномалии веер лучей собирается оператором вручную для отсеивания ненужных участков грунта и осуществляется несколько проходов над объектом (см. рис. 2).
Конечным результатом обработки собранной информации является получение максимума достоверных данных о местоположении объектов в пространстве, их размерений и других характеристик, благодаря которым в итоге формируется полноценная 3D-модель объекта (см. рис. 3, 4).
Постобработка данных осуществляется в специализированном программном обеспечении PDS2000 (ПО), позволяющем выполнять полное картирование морского дна, работать практически со всеми форматами исходных данных, переводить их в другие форматы, визуализировать и т.д. Также указанное ПО позволяет создавать информативные планшеты для археологических отчетов с высокой степенью детализации4.
4 Принцип дейстия ГБО // Научно производственная фирма «Экран» [Эл. ресурс]. URL: http://hydrasonars. ru/34-baza-znanij/329-2017-06-13-12-13-17 (посл. посещение: 04.02.2023).
Рис. 3. Иллюстрация 3D-модели обнаруженного российского парусно-винтового деревянного клипера «Джигит». Из архива ЦПИ РГО
Рис. 4. Иллюстрация 3D-модели обнаруженного российского парусно-винтового деревянного клипера «Джигит». Из архива ЦПИ РГО
Одной из положительных особенностей ПО является возможность одновременно считывать данные с одного или нескольких датчиков в режиме реального времени, регистрировать их, производить вычисления на основе полученных данных, демонстрировать результат вычислений. ПО предоставляет в ручном или автоматическом режимах несколько вариантов удаления из облака точек аномалий, а также резко отклоняющихся значений.
Конечное представление результатов, прошедших контроль инженера по обработке данных, возможно в виде 3D-моделей, таблиц, файлов, обзоров объема, навигационных карт и отчетов (см. рис. 5).
После обработки полученных гидроакустических данных выполняется следующий этап работ, а именно визуальная идентификация обнаруженных объектов с помощью НПА/ОПА или водолазов.
Центр располагает несколькими телеуправляемыми НПА (ТНПА) разных классов. Приведем пример использования самого крупного робота из имеющегося арсенала. ТНПА Argus mini (Норвегия) (см. рис. 6) имеет максимальную глубину погружения 1000 м при наличии кабель-троса нужной длины.
t0 m 20 m 30 m ¿От 5Grt 60 m 70m 00 m
Рис. 5. Пример отчетных материалов в виде навигационной карты для археологических изысканий. Из архива ЦПИ РГО
Рис. 6. Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат Argus mini. Из архива ЦПИ РГО
50m (100m/div) 675 kHz {6 dB)
R: 43.ea m B: 327 4 deg.
» л
Г."- i
Рис. 7. Иллюстрация рабочего окна ГКО (клипер «Джигит»). Из архива ЦПИ РГО
Argus относится к осмотровому классу аппаратов. Сухой вес — 120 кг, суммарная потребляемая мощность — до 3 кВт, грузоподъемность — 15 кг. На аппарате установлен 5-степенной гидравлический манипулятор с тросорезом, позволяющий выполнять сложные задачи, связанные с захватом, подъемом и транспортировкой объектов.
-■Ч
Рис. 8. Сопровождение подводно-технических работ. Из архива ЦПИ РГО
На Argus установлен гидролокатор кругового обзора (ГКО), который значительно упрощает поиски объектов в условиях плохой видимости, фактически являясь универсальным прибором навигации и поиска с максимальным радиусом обзора 200 метров и изменяемой частотой от 300 кГц до 1 мГц (см. рис. 7).
Оптоволоконный кабель положительной плавучести, которым оснащен Argus, имеет большое количество преимуществ относительно других видов кабелей. Его видно на поверхности воды, он обладает меньшей спутываемостью, обеспечивает сниженную нагрузку на аппарат в подводном положении и одновременную передачу сигналов телеуправления, телесигнализации и видеоизображения высокого качества по оптическому каналу связи.
ТНПА незаменимы в научной деятельности Центра. Благодаря наличию FullHD-камеры, позволяющей получать видеоизображение с высоким разрешением на фоне излучаемого LED-фонарями видимого спектра, имеется возможность обследования подводных аномалий без участия водолазов. Отдельным видом обеспечения является сопровождение подводно-технических работ на глубине (см. рис. 8). Также возможен вариант взаимодействия с ОПА (см. рис. 9).
Анищенко В. А., Кичко С. А., Фокин С. Г.
Depth 41.0
Heading 292.7
Sv
Маг 26,2020
CSV-B7 CSV-B8
Рис. 9. Взаимодействие ТНПА с ОПА и водолазами. Из архива ЦПИ РГО
Рис. 10 а, б, в, г, д. Объекты культурного наследия, лежащие под водой, снятые с помощью ТНПА. а) часть деревянного судна; б) борт разрушенного деревянного судна; в) трюм разрушенного деревянного судна; г) часть механизма орудия корабля времен Великой Отечественной войны; д) орудие корабля времен Великой Отечественной войны. Из архива ЦПИ РГО
Рис. 11. Динамическая карта, разработанная ЦПИ РГО
Одна из главных задач ТНПА осмотрового класса — обследование подводных объектов, включая идентификацию объектов культурного наследия (см. рис. 10 а, б, в, г, д). ТНПА является предпочтительным средством первичного осмотра, предшествующим водолазным спускам. В отдельных случаях он может заменить водолазов по условиям длительности выполнения подводно-технических работ, в т.ч. на глубинах, недоступных для них.
При выполнении подводных археологических работ наиболее простым способом идентификации затонувшего корабля является съемка его бортового номера/названия, а в случае их отсутствия — характерных конструктивных элементов, элементов бытового предназначения и личных вещей.
Данные, полученные с применением приведенного выше оборудования, подлежат визуализации на интерактивной онлайн-карте обнаруженных объектов. Она представляет собой единый обширный архив, выложенный на динамическую карту и позволяющий структурировать накопленные за несколько лет данные.
У каждого объекта имеются описательная часть, технические характеристики, фото- и видеоматериалы, полученные в ходе исследований. Объекты сгруппированы по экспедициям и содержат данные о динамике разрушений, частоте обследований. На рынке существуют аналогичные решения, однако представленная на рис. 11 карта разработки
ЦПИ РГО полностью адаптирована под потребности исследователей. Это полноценная онлайн-база, содержащая, помимо перечисленного выше, архив гидроакустических данных. В перспективе доступ к этой карте смогут получать различные организации и профильные ведомства.
Из актуальных задач осмотровых ТНПА также можно выделить проведение фотограмметрической съемки (ФГМ) морского дна, а также составление ортофотопланов (см. рис. 12, 13) — цифрового трансформированного изображения местности (объекта), созданного на основе перекрывающихся исходных фотоснимков5. В настоящее время эта задача в основном лежит на плечах водолазов, и существует обоснованная необходимость повышения эффективности проведения такого вида работ.
Фотограмметрическая съемка необходима для построения высококачественных 3D-моделей объектов на дне и в толще воды.
Благодаря технологии ФГМ появилась возможность подробного изучения содержимого палубы, оценки обстановки и степени сохранности. Она в значительной степени облегчает труд водолазов, которые, погружаясь, имеют представление о корабле, знают реперные точки и легче ориентируются на нем, что особенно важно в условиях сниженной видимости.
5 Ортофотоплан // Википедия. Свободная энциклопедия [Эл. ресурс]. URL: https://w.wiki/6spA (посл. посещение: 04.02.2023).
Анищенко В. А., Кичко С. А., Фокин С. Г.
Рис. 12. Ортофотоплан российского парусно-винтового деревянного клипера «Джигит». Из архива ЦПИ РГО
Рис. 13. Ортофотоплан деревянного судна «Бутылочник». Из архива ЦПИ РГО
Центр подводных исследований РГО выполняет сборку комплексов подводных камер высокого разрешения для составления орто-фотопланов улучшенного качества. Это перспективное направление развития подводных исследований. Ортофотоплан акватории в значительной степени позволит облегчить работу на объектах культурного наследия, лежащих под водой.
Благодаря развитию в последние годы ТНПА и дополнительного оборудования к нему может быть решена задача многофункциональности. При этом комплексное использование технических средств и гидроакустического оборудования позволяют увеличить эффективность ПТР, обеспечить повышение уровня безопасности, минимизируя нахождение человека под водой.
Заключение
АНО «ЦПИ РГО» обладает богатым опытом проведения подводно-технических работ, совместного использования различных технических средств и гидроакустического
оборудования, позволяющих сформировать качественно новый подход к обследованию подводных пространств и затонувших исторических объектов. Всесторонняя техническая оснащенность и освоение новых технологий обеспечивают эффективный переход от съемки с использованием органов технического зрения и гидроакустических систем к построению 3D-моделей и картированию акваторий с формированием базы данных затопленных объектов. Научный подход Центра к организации и проведению подводно-технических работ при широком их спектре подразумевает тесное взаимодействие с различными организациями и профильными ведомствами, постоянно повышая уровень профессионализма.
В публикации отражен реальный опыт комплексного применения гидроакустических средств и получения при постобработке исходных данных точной геолокации затопленных объектов, данных об их техническом состоянии, особенностях положения на грунте и внешнем виде для планирования подводно-технических работ с участием водолазов.
Anischenko V. A., Kichko S. A., Fokin S. G.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лукошков А. В. Реестр кораблей и других объектов подводного историко-культурного наследия Российской Федерации. СПб.: БЛИЦ, 2017. Т. 1: Финский залив. Кн. 1: Корабли и суда XVIII века. 106 с.
2. Ортофотоплан // Википедия. Свободная энциклопедия [Эл. ресурс]. URL: https://w.wiki/6spA (посл. посещение: 04.02.2023).
3. Принцип дейстия ГБО // Научно производственная фирма «Экран» [Эл. ресурс]. URL: http://hydrasonars. ru/34-baza-znanij/329-2017-06-13-12-13-17 (посл. посещение: 04.02.2023).
4. Teledynemarine [Эл. ресурс]. URL: www.teledynemarine.com (посл. посещение: 04.02.2023).
5. Trimble. Applanix [Эл. ресурс]. URL: www.applanix.com (посл. посещение: 04.02.2023).
REFERENCES
1. Lukoshkov, A. V. Reestr korablej i drugix ob"ektov podvodnogo istoriko-kul'turnogo naslediya Rossijskoj Federacii [Register of Ships and Other Objects of the Underwater Historical and Cultural Heritage of the Russian Federation], vol. 1: Finskij zaliv [Gulf of Finland], book 1: Korabli i suda XVIII veka [Ships and Vessels of the 18th Century]. St. Petersburg, BLIC Publ., 2017. 106 p. (In Russ.)
2. "Ortofotoplan" ["Orthophotoplan"]. Vikipediya. Svobodnaya e'nciklopediya [Wikipedia. Free Encyclopedia]
[Digital resourse]. URL: https://w.wiki/6spA (last visit: 04.02.2023)
3. "Princip dejstiya GBO" ["The Principle of Operation of HBO]. Nauchno proizvodstvennaya firma "E'kran"
[Scientific and Production Company "Screen"] [Digital resourse]. URL: http://hydrasonars.ru/34-baza-znanij/329-2017-06-13-12-13-17 (last visit: 04.02.2023) (In Russ.)
4. Teledynemarine [Digital resourse]. URL: www.teledynemarine.com (last visit: 04.02.2023). (In English)
5. Trimble. Applanix [Trimble. Applanix]. [Digital resourse]. URL: www.applanix.com (last visit: 04.02.2023). (In English)
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Вадим Алексеевич Анищенко, оператор подводных комплексов, АНО «ЦПИ РГО» (Россия, 191123,
г. Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 3, лит. А). e-mail: [email protected]
Степан Александрович Кичко, начальник проек-тно-инженерного отдела, АНО «ЦПИ РГО» (Россия, 191123, г. Санкт-Петербург, ул. Захарьевская,
д. 3, лит. А).
e-mail: [email protected]
Сергей Георгиевич Фокин, исполнительный директор, АНО «ЦПИ РГО» (Россия, 191123, г. Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, д. 3, лит. А). e-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Vadim Alekseevich Anis^enko, ROV Pilot, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia). e-mail: [email protected]
Stepan Aleksandrovich Kichko, Head of Project and Engineering Department, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia). e-mail: [email protected]
Sergej Georgievich Fokin, Executive Director, Autonomous Non-Profit Organization "URC RGS" (ul. Zaxar'evskaya, d. 3, lit. A, Saint Petersburg, 191123, Russia).
e-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 09.02.2022 Received 09.02.2022
Поступила после рецензирования 10.03.2023 Revised 10.03.2023
Принята к публикации 21.04.2023 Accepted 21.04.2023
