Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

“… although the true location of the vessel is known, it is not accidental, 

  it’s there, but it is unknown at what position”.

V.G. Aleksishin et al., Practical Navigation, 2006. p. 71

With this feature we open a series of articles on the practical application of various navigation systems of our own production.

The RedNav LBL navigation set that bore the serial number 1 was produced and delivered to the Customer in the summer of 2015, already far. We have sold dozens of such sets since then, however, up until April 2019 we couldn’t carry out full-fledged tests on our own robot its availability since 2017 notwithstanding, having been focusing on development, improvement and production of both old and new devices and systems. In this article we will tie some loose ends and describe how it works from the developer’s point of view.

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Problem Statement

Flying and rolling, crawling on the ground and swimming on the surface drones transmit videos and often GPS-coordinates  from their cameras in real time.  The operator can easily find out where his piece of apparatus is located; moreover the operator can flat-out see it.

It is somewhat different with underwater vehicles such as ROV. Having released the device into the water, the only thing you can be sure of is that it is definitely under water.

A Bit Deeper Into The Issue

Underwater devices can be categorised into different classes, depending on size and tasks. The most simple and small ones, the viewing kind we have, is just a videocamera on a cable with engines. The more complex and large ones can be equipped with manipulators and other elements of interaction with external environment. Cable lengths may vary between dozens and hundreds of meters for small devices and may amount to thousands of meters for serious devices of the so-called working class.

The classic control of ROVs is carried out by visual feedback. The operator sees the image transmitted from the cameras of the device via cable, that is often equipped with sonar sensors since the visibility in the research and work area is oftentimes poor and does not exceed 1-3 meters.

The most significant drawback in this approach is that most of the time it is impossible to locate the device just by looking at these images.

Underwater Navigation

This disadvantage can be overcome by applying hydroacoustic navigation system. As a rule either a pinger (a device that emits a special signal) or a responder-beacon are installed on the device. The bearings of pinger signal are taken, the distance is being determined, and then, based both on the signal arrival angle (or two angles – horizontal and vertical) and distance the location of the apparatus is being determined.  These kind of systems are called SBL, short for short baseline systems. They are classified as AoA (angle of arrival) + TOF (time of flight) system and have a number of shortcomings, especially in relation to this task.

Чтобы определить горизонтальный угол прихода сигнала ответчика или пингера нужна пеленгационная антенна. В старых системах необходимо также определять и вертикальный угол прихода сигнала, в новых системах, в том числе и в нашей, маяк-ответчик передает свою глубину, что упрощает задачу и повышает точность комплекса. Пеленгационная антенна – устройство само по себе непростое и требующее установки на штангу, которая должна крепиться на судно. По дальности, глубине и горизонтальному углу (или по дальности и двум углам) определяется только относительное положение аппарата. При этом точность падает с увеличением расстояния.

Точность определения угла зависит от:

После того, как определена дистанция и угол прихода сигнала, нужно привязать все это к географическим координатам. Для этого нужно знать географическое положение пеленгационной антенны и направление ее нуля относительно истинного севера (то есть, надо еще иметь компас и GPS на антенне – систему курса и положения). После чего можно решить прямую геодезическую задачу и определить положение подводного аппарата в географических координатах.

С точки зрения точности использование длиннобазисной системы более предпочтительно, чем ультракороткобазисной. Мы рекомендуем применять УКБ систему только там, где нет возможности применять длиннобазисные системы. Например, когда позиционируется буксируемый объект, и нужно пройти очень большое расстояние. В этом случае перемещать элементы длинной базы придется очень часто и это приведет к затратам слишком большого количества времени и сил, или, другой пример, установить буи длинной базы на поверхности невозможно либо очень сложно из-за большой глубины в месте проведения работ. Во всех остальных случаях рекомендовано использование длиннобазисной навигационной системы RedNav – это надежнее и точнее, чем УКБ система.

В длиннобазисных (ДБ) системах навигационная база формируется несколькими разнесёнными в пространстве приемниками либо передатчиками. Всем известные примеры длиннобазисных навигационных систем – GPS, ГЛОНАСС и другие спутниковые навигационные системы.  Преимущество длиннобазисных гидроакустических навигационных систем – практически неизменная точность во всём «поле» внутри базы, они значительно менее подвержены влиянию качки и в целом обеспечивают гораздо более точные результаты по сравнению с УКБ системами.

В практике мы видим, что пользователи предпочитают приобретать и устанавливать УКБ системы, исходя из представления о том, что УКБ система более проста в развёртывании, чем ДБ-система. Это стереотип сложился в том числе и потому, что подавляющее большинство длиннобазисных систем, доступных на рынке, представлены лишь так называемой донной базой (элементы базы не плавучие, как у нас в RedNav, а устанавливаются на дно в месте проведения работ), установка которой требует существенных временнЫх и денежных затрат.

В нашей длиннобазисной системе мы сочетаем преимущества простой установки и высокой точности получаемого результата.

Подводный GPS

Вернемся к герою сегодняшнего испытания – системе RedNode. Навигационная система представлена собственно навигационной базой, образуемой четырьмя плавучими буями-ретрансляторами GNSS-сигнала:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Буи перед началом работ устанавливаются на водоеме при помощи якорей и веревки. Всё, что нужно сделать – это выпустить буй на якоре, перед этим включив его. Это действительно всё, что нужно сделать – никаких калибровок, предварительных синхронизаций и прочего – просто включить, и всё. Наши инженеры на испытаниях расставляют буи навигационной системы на вёсельной лодке менее, чем за полчаса.

Другой элемент системы – навигационный приемник, располагаемый на позиционируемом подводном объекте:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Навигационный приемник RedNODE (желтый цилиндр) установлен на корме аппарата. Он питается от бортовой сети робота и передает данные через кабель аппарата.

Так как буи только излучают, а приемники только принимают (работают по разностно-дальномерной схеме) – появляется возможность на одном комплекте буев в одной акватории обеспечивать работу любого количества таких приемников. То есть, одновременно осуществлять навигацию может целый флот подводных аппаратов и водолазов, каждый из которых будет получать собственное местоположение с номинальной частотой 1Гц.

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Мы достаточно просто установили навигационный приемник и добавили немного плавучести, чтобы выровнять баланс робота.

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Данные от приемника поступают в пульт управления, откуда есть возможность передать их в любой ноутбук через преобразователь RS232<->USB (на фото разъем “Sonar”).

Координаты в нашей длиннобазисной системе вырабатываются на приемнике (т.е. строго терминологически система является навигационной, а не системой позиционирования). Но так как ТНПА работают на кабеле, никаких особых проблем передать вычисленное на аппарате местоположение по кабелю наверх нет. Навигационный приемник системы может работать в режиме эмуляции обычного «сухопутного» GNSS-приемника, что позволяет подключать его напрямую к любому программному обеспечению, способному работать с GNSS-приёмниками (например, популярное приложение SAS.Planet прекрасно работает с нашим навигационным приёмником в онлайн-режиме).

Еще глубже

Испытательный стенд укомплектован достаточно просто:

При всей кажущейся простоте, работать с УКБ системой с этим плавсредством у нас бы не получилось – для крепления УКБ антенны нужна лодка достаточно больших размеров (чтобы противостоять качке) с жестким дном и штанга, жёстко закрепляемая на борту лодки. При этом все время работ потребовалось бы находиться на воде, что не всегда комфортно и приемлемо (низкая температура воздуха, ветер, волны).

«Пост управления» был развернут за 10 минут, и в нашем случае выглядел так:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Традиционно, все натурные испытания мы проводим в устье реки Пичуга, в месте ее впадения в Волгоградское водохранилище.

Погружаемся дальше

Как было упомянуто выше, время развёртывания системы на воде не превышает 30 минут. В этот раз два человека на вёсельном плавсредстве управились за 24 минуты, на вёслах, борясь с ветром и волнением.

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

На фото видно, как буи располагаются в маленькой надувной байдарке. Все четыре штуки.

Можно подумать, что погружение аппарата тоже производится с лодки, но это вовсе не обязательно и в разных условиях может осуществляться в том числе с берега: аппарат просто заносится в воду:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

А вот и первые картинки подводного мира:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Да, это вам не Красное море. Вода кажется прозрачной, но по факту видимость у берега не превышает 1-2 метров.

Мы были расстроены, но факт остаётся фактом: управлять ТНПА только по картинке совершенно не представляется возможным, ввиду крайне низкой видимости в воде.

Желающие своими глазами оценить видимость под водой в месте проведения испытаний могут сделать это, просмотрев запись с камеры аппарата:

Запись дана без какой-либо обработки и монтажа. Желающие могут самостоятельно прийти к выводу об удобстве управления и совершения осмысленных действий под водой (например, поиска чего-либо) только по изображению с камеры, без навигации.

А вот и первое касание дна, и элементы «лунного пейзажа» на глубине 13 метров:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Буквально через пару секунд, проплыв немного вперед, аппарат уперся в затопленное бревно, обросшее мелкими ракушками:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Сценарий испытаний предполагал такую последовательность действий: с лодки затапливается легкозаметный объект, координаты места затопления сохраняются при помощи телефона, задача оператора – по данным навигационной системы прийти в место затопления роботом и попытаться визуально обнаружить затопленный предмет.

Мы пришли к выводу, что управлять аппаратом только по изображению с камеры совершенно невозможно; в основном мы руководствовались нашей навигационной системой, в онлайн выдававшей текущее местоположение аппарата на карте.

Специалистов порадует разрешающая способность системы в реальном водоеме, которая составляет порядка 30 сантиметров, что видно по сетке, которую рисует трек:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Как и в других подобных испытаниях, разброс точек при движении ложится в диапазон 1-1,5 метра, что опеспечивает достаточную точность для проведения большинства осмотровых работ:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Итоговый трек движения аппарата выглядит вот таким образом:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Мы немного не рассчитали место проведения работ и почти половина трека (левая часть от красных линий) лежит вне навигационной базы, т.е. вне фигуры буёв, где система должна работать гораздо хуже. Однако, за исключением нескольких выбросов, система отработала с очень высокой точностью.

В один из проходов аппарат шел очень близко к предполагаемому месту затопления объекта:

Underwater GPS on a Remotely Operated Vehicle: Experience and Expertise

Но внимательно просмотрев час с лишним видео, записанным бортовой камерой аппарата, мы ни разу не увидели наш искомый объект, что косвенно подтверждает наши наблюдения о невозможности выполнения сколь-либо осмысленных действий, полагаясь только на видеоизображение.

Видеоотчет с наших испытаний:

Приглашаем вас к обсуждению этой статьи! По ссылке треки, полученные в ходе этих испытаний, в формате kml, для самостоятельного изучения.