Активный плавучий автономный регистратор данных Российский патент 2025 года по МПК B63B22/00 

Изобретение относится к автономным буям ледового класса, которые могут применяться для дистанционного мониторинга местоположения объектов, на котором они установлены или мониторинга собственного дрейфа в воде, обеспечивающим определение собственного местоположения и передачу географических координат через спутниковую систему связи.

Известно семейство морских дрейфующих буев, выпускаемых компанией MetOceantelematics. (Головной офис компании расположен в Канаде, два других – в США и Великобритании). Все буи этого семейства состоят, как минимум, из блока определения и передачи географических координат, которые для некоторых моделей дополняются блоками измерения нескольких гидрометеорологических параметров. Буи, выпускаемые компанией, служат для измерения характеристик морских поверхностных течений и течений верхнего слоя, распространения загрязнений, включая нефтяные, а также для определения дрейфа льда. Среди характеристик дрейфа льда интерес представляют, в том числе, перемещения и деформации ледяного поля, например, расплыв льда (увеличение расстояний между льдинами) или накопления льда и образования гребней давления (уменьшение расстояний). Здесь мы остановимся на характеристиках тех буев компании MetOcean, которые предназначены для работы в полярных ледовитых морях.

Известен парашютируемый с самолета или вертолета полярный буй AirDeployablePolariSVP для определения движения верхнего слоя открытой воды или дрейфа ледяных образований (https://metocean.com/wp-content/uploads/2017/09/air_deployable_polar_isvp.pdf). Буй был разработан для удовлетворения потребностей морской нефтяной промышленности, индустрии морских перевозок, а также для метеорологических и океанографических научных сообществ. В стандартнойкомплектации оснащен датчиками атмосферного давления,температуры поверхности моря и температуры воздуха. Буй оснащен GPS приемником - NavmanJupiter 32 GlobalPositioningSystemmodule и системой передачи информации через спутник Iridium® 9601 ShortBurst Data transceiver. Продолжительность автономной работы зависит от заданного периода измерений и передачи данных. При выбранном периоде в 6 часов буй может проработать в течении 24-х месяцев. Опыт применения буя показывает его, в целом, надежную работу в соответствии с техническими характеристиками, но, также, выявил ряд недостатков в конструкции, которые ограничивают область его применения. Во-первых, вес буя 18.1 кг не позволяет устанавливать его на ледяные образования аккуратно с помощью относительно малогабаритных беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа. Во-вторых, из-за того же веса, сброшенный с самолета на парашюте буй пробивает насквозь молодые формы льда (толщиною менее 10 см) и может, всплывая в пробитое отверстие, не попадать точно в него и фиксироваться подо льдом. Передача измеренной информации через лед становится невозможной. В третьих, корпус буя представляет собой шар диаметром 395 мм. При парашютировании буя с самолета на наклонную поверхность ледяного образования (айсберг, несяк, гряда торосов, стамуха) вблизи края этого образования, буй может скатиться в воду и начать измерять скорость поверхностного течения, а не интересующую пользователя буем скорость дрейфа льда.

CompactAir-LaunchedIceBeacon (CALIB) - представляет собой спутниковый радиомаяк Iridium или мини-радиомаяк Argos (конфигурация гидроакустического буя класса “А” по стандарту НАТО). (https://metocean.com/products/calib/) Буи CALIB предназначены для сбора метеорологических данных с целью прогнозирования погоды в полярных климатических зонах и для отслеживания дрейфа ледяных образований. Буй снабжен датчиком температуры поверхности льда и датчиком атмосферного давления. Батареи буя щелочные или литиевые. Форма корпуса – труба диаметром 120 мм и длиною 917 мм. В зависимости от выбора типа батарей, температуры воздуха и периода измерений, продолжительность автономной работы буя от 3-х до 12 -и месяцев. К недостаткам этого буя в сравнении с предлагаемым нами решением следует отнести : (1) отсутствие практической возможности аккуратной установки буя на ледяное образование с помощью малогабаритного бесплотного летательного аппарата вертолетного типа из-за веса буя 8.2 кг; (2) отсутствие фиксации буя после парашютирования на голом, не покрытом снегом в летнее время, ледяном образовании и существование возможности бую с корпусом в виде трубы скатиться в воду с наклонного ледяного образования; (3) после попадания в воду буй тонет; (4) низкая точность, примерно 300 м, при использовании для определения координат буя и передачи информации спутниковой системы Argos.

PolariSVP - полярный буй для определения движения верхнего слоя открытой воды или дрейфа ледяных образований (https://metocean.com/products/polar-isvp/). По своим техническим характеристикам не сильно отличается от описанного выше буя Air DeployablePolar iSVP. Существенным недостатком буя является тот факт, что его конструкция (форма – шар диаметром 33 см с выступающим штырем-антенной, вес – 11.3 кг, крепление узлов внутри корпуса) предусматривает его установку на ледяные образования только при высадке специалиста с буем на это образование. “Ручная ” установка буя решает проблемы установки на ровные участки льда, крепление буя на льду, вертикального позиционирования антенны. Однако высадка на лед специалиста во многих случаях (ледяные образования с большими наклонами, разреженные льды, сильный ветер, высокое волнение и т.д.) чрезвычайно опасна и поэтому невозможна.

Еще одним общим недостатком буев компании MetOcean при их применении в пределах российских ледовитых морей может стать тот факт, что географические координаты этих буев определяются только с использованием глобальной навигационной системы GPS, а передача результатов измерений осуществляется только через систему спутниковой связи Iridium. Обе системы управляются организациями США и, при определенных условиях, могут быть отключены или специально скорректированы при своей работе в определенных координатах.

Известно семейство российских морских дрейфующих буев, выпускаемых российской компанией ООО “Марлин – Юг” (https://marlin-yug.com/ru/home/). Среди продукции компании остановимся здесь только на буях предназначенных для работы в ледовитых морях –это спутниковые радиомаяки iceST/30, iceST-B/30, iceST/40, iceST-B/40 (https://marlin-yug.com/assets/files/pdf_ru/satellite_tracker_icest_20_ru.pdf). Радиомаяки предназначены для оперативного долговременного контроля движения природных масс льда, измерения температуры и атмосферного давления (модификации “-B”) с передачей данных по каналам спутниковой связи. Передача данных осуществляется через спутниковые системы Argos или Iridium. Координаты определяются с помощью GPS/ГЛОНАСС приемника GlobalTopTitan 3. Корпуса буев имеют шарообразную форму, изготавливаются из стеклопластика. Диаметры модификаций “/30” – 34 см и вес 9 кг, модификаций “/40” – 41 см и 16 кг. Аккумуляторы радиомаяков щелочные, максимальная продолжительность автономной работы при периоде измерений и передачи данных 1 ч – 18 месяцев для модификаций “/30” и 24 месяца для модификаций “/40”. Недостатками буев ООО “Марлин – Юг” для работы в ледовитых морях являются: (1) отсутствие практической возможности аккуратной установки буя на ледяное образование с помощью малогабаритного бесплотного летательного аппарата вертолетного типа из-за веса буев 9 кг или 16 кг; (2) конструкция корпуса буев, их вес, крепление узлов внутри корпуса предусматривают их установку на ледяные образования только при высадке специалиста с буем на это образование,однако высадка на лед специалиста во многих случаях (ледяные образования с большими наклонами, разреженные льды, сильный ветер, высокое волнение и т.д.) чрезвычайно опасна и поэтому невозможна; (3) использование для передачи данных зарубежных спутниковых систем Argos и Iridium потенциально может ограничить применение радиомаяков акваториями вне российских морей, покрывающихся льдом.

Известны шарообразные плавучие автономные регистраторы данных, например, по патентам CN108255204, CN216969928, состоящие из соединенных водонепроницаемых полусфер, в полости которых размещены устройства связи и позиционирования, антенна, источник питания в нижней полусфере, обеспечивающий заданную ориентацию сферы в воде. Их недостатком является невозможность обеспечения правильной ориентации антенны при размещении буя на льду, что ограничивает его функционал и стабильность работы в разных условиях. Для размещения на поверхности льда требуется выполнять основание плоским, если делать полусферу до основания, то она будет иметь избыточный диаметр и в верхней части устройства будет много пустот. Габариты будут избыточны, а компоновка неоптимальной.

Известен плавучий автономный регистратор данных (буй, по патенту US5014248, выбран в качестве прототипа), состоящий из трех частей: пенетратора, приборного отсека и антенной сферы. Детали соединены хрупкими муфтами, которые позволяют разъединить детали при ударе о поверхность. Пенетратор имеет биконический кончик носа, который образует полость во льду, диаметр которой лишь немного превышает диаметр пенетратора. Когда приборный отсек большего диаметра соприкасается с поверхностью, фронтальная нагрузка разорвет хрупкое соединение и тем самым отделит пенетратор от приборного отсека. Сфера антенны, имеющая еще больший диаметр, отделится от приборного отсека аналогичным образом, за исключением электрического соединения. Сфера антенны имеет эксцентриковый балласт и останется на поверхности, передавая сигналы с гидрофона, который автоматически высвобождается из приборного отсекаи вывешивается на определенный горизонт в толще воды в соответствии с длиной кабеля на катушке. Его недостатками являются сложность конструкции, нестабильность работы с поверхности льда, поскольку помещение сферического буя на льду, отделенного или присоединенного к приборному отсеку конической формы не обеспечивает оптимального положения антенны. Габариты сферической части буя с антенной избыточны, компоновка является неоптимальной из-за пустот, положение центра тяжести высокое, что может привести к самопроизвольному изменению положения буя относительно вертикальной оси и привести к его некорректной работе. Сброшенный с самолета буй с пенетратором не пробьет лед толщиной более 5 см. Лед толщиной 5 см нельзя считать толстым, такой лед относится к молодым формам льда и при любых площадях ледяных образований такой толщины не представляет собой опасность для судов даже начальных ледовых классов и объектов морской инфраструктуры. Таким образом, буй по патенту US5014248 не крепится на льду большинства форм ледяных образований и тем более опасных ледяных образований.

Технической задачей изобретения является создание плавучего автономного регистратора данных, который может использоваться на воде и на твердой поверхности, обеспечивая надежную передачу данных. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы, уменьшение габаритов устройства.

Технический результат достигается в плавучем автономном регистраторе данных, имеющем герметичный корпус, образованный основанием, плоским снизу и с цилиндрической боковой поверхностью, и полусферической крышкой. В основании у дна и по периметру установлены элементы питания, соединенные через контроллер с модулем связи, соединенным в свою очередь с антенной, размещенной в полости полусферической крышки. Контроллер с модулем связи установлены в центральной части основания на ложементе. В полусферической крышке выполнено кольцо. Используется щелевая антенна, состоящая из основания и щелевых излучателей полукруглой формы.

Изобретение поясняется рисунками:

фиг. 1 - плавучий автономный регистратор данных, внешний вид;

фиг. 2 - плавучий автономный регистратор данных, вид сбоку в разрезе;

фиг. 3 – основание, вид сверху в разрезе.

Плавучий автономный регистратор данных (далее, также – «буй») имеет герметичный корпус 1, образованный основанием 2, плоским снизу и с цилиндрической боковой поверхностью 3, и полусферической крышкой 4. Плоское дно корпуса 1 позволяет устанавливать буй на лед, закреплять на него пластину с шипами для лучшего сцепления, в том числе на наклонную поверхность с уклоном до 25 градусов, препятствует смещению буя под воздействием внешних факторов (ветер, перемещение ледяного образования/айсберга.

В полусферической крышке 4 выполнено кольцо 10, а именно, оно интегрировано с полусферическую крышку 4, являясь ее неотъемлемой частью. Такое кольцо 10 не смещает центр тяжести буя, сохраняя его устойчивость, при этом, является силовым элементом корпуса 1, что в сочетании с относительно небольшим весом буя (2.5-2.7 кг в зависимости от комплектации) позволяет обеспечить его дистанционную установку с применением небольших беспилотных летательных аппаратов грузоподьемностью до 5 кг без необходимости высадки на лед или без дорогостоящего парашютирования с применением авиации, позволяет исключить риски близкого подхода судна к опасному ледяному образованию (айсбергу или кромке льда).

В основании 2 у дна и по периметру установлены элементы 5 питания, например, аккумуляторные батареи, обеспечивающие автономность буя. Могут использоваться спайки из комплектов элементов 5 питания: две спайки по периметру основания 2, вдоль цилиндрической боковой поверхности 3 и одна в спайка в плоскости дна основания 2. Так может быть образовано пространство по центру основания, в котором помещены более легкие электронные компоненты буя. Элементы 5 питания соединены через контроллер с модулем связи, соединенным в свою очередь кабельной сборкой 7 с антенной 8, размещенной в полости полусферической крышки 4. Контроллер с модулем связи выполнены в виде единой сборки 6 (отдельно не показаны, могут быть размещены на единой электронной платы в защитном корпусе) установлены в центральной части основания 2, между элементов 5 питания, на ложементе 9. Антенна 8 закреплена на стойках 13, опирающихся на ложемент 9 (его верхнюю плиту 14) или являющихся его частью. Модуль связи – выполнен в виде модема, устройства приема спутникового сигнала, например, российской орбитальной группировки "Гонец". Для включения буя может использоваться магнитоконтактный датчик 15 типа «Геркон». Снаружи корпуса 1 закрепляется магнитная таблетка. При ее удалении магнитоконтактный датчик 15 типа «Геркон» 15 замыкает цепь, включая контроллер с модулем связи, антенна 8 передает сигнал.

Используется щелевая антенна 8, состоящая из основания 11 и щелевых излучателей 12 полукруглой формы. Когда электромагнитные волны проходят через щель в проводящей поверхности, они возбуждают резонансные колебания в антенне 8. Эти колебания генерируют радиоволны, которые излучаются в пространство.

Корпус буя является разборным, полусферическая крышка 4 соединяется с основанием 2 винтами. После разрядки элементов 5 питания может быть использован повторно в автономном режиме после их замены

Буй обладает положительной плавучестью с низким центром тяжести, за счет размещения элементов 5 питания в основании 2. Верхняя полусферическая крышка 4 может иметь контрастную расцветку, что облегчает обнаружение буя установленного на ледяной поверхности. При попадании в воду, буй, за счет смещенного к плоскому дну центру тяжести обеспечивает нахождение контрастного сферического купола над водой упрощая его визуальное обнаружение.

Сочетание полусферической крышки 4 (имеющей форму близкую к полусфере) с основанием 2, плоским снизу и с цилиндрической боковой поверхностью 3, обеспечивает уменьшение габаритов устройства с сохранением заниженного центра тяжести. При этом, в полости полусферической крышки 4 размещается легкая антенна полусферической формы. При корпусе, имеющем форму полусферы до дна, увеличится ее диаметр и внутри образуются неиспользуемые пустоты. При сферической форме буя не обеспечивается его устойчивость на твердой поверхности.

Изобретение относится к автономным буям ледового класса, которые могут применяться для дистанционного мониторинга местоположения объектов, на котором они установлены, или мониторинга собственного дрейфа в воде, обеспечивающего определение собственного местоположения и передачу географических координат через спутниковую систему связи. Плавучий автономный регистратор данных имеет герметичный корпус, образованный основанием, плоским снизу и с цилиндрической боковой поверхностью, и сферической крышкой. В основании у дна и по периметру установлены элементы питания, соединенные через контроллер с модулем связи, соединенным в свою очередь с антенной, размещенной в полости сферической крышки. Контроллер с модулем связи установлены в центральной части основания на ложементе. Достигается повышение надежности работы, уменьшение габаритов устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плавучий автономный регистратор данных, имеющий герметичный корпус, образованный основанием, плоским снизу и с цилиндрической боковой поверхностью, и сферической крышкой, в основании у дна и по периметру установлены элементы питания, соединенные через контроллер с модулем связи, соединенным в свою очередь с антенной, размещенной в полости сферической крышки, контроллер с модулем связи установлены в центральной части основания на ложементе.

2. Плавучий автономный регистратор данных по п.1, характеризующийся тем, что в сферической крышке выполнено кольцо.

3. Плавучий автономный регистратор данных по п.1, характеризующийся тем, что используется щелевая антенна, состоящая из основания и щелевых излучателей полукруглой формы.