نظام تحديد المواقع الصوتي تحت الماء

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

نظام تحديد المواقع الصوتي تحت الماء [ 1 ] [ 2 ] هو نظام لتتبع وتوجيه المركبات أو الغواصين تحت الماء عن طريق قياس المسافة و/أو الاتجاه الصوتي، ومن ثم تحديد الموقع بدقة. تُستخدم أنظمة تحديد المواقع الصوتية تحت الماء على نطاق واسع في العديد من الأعمال تحت الماء، بما في ذلك استكشاف النفط والغاز، وعلوم المحيطات ، وعمليات الإنقاذ، وعلم الآثار البحرية ، وإنفاذ القانون، والأنشطة العسكرية.

طريقة التشغيل

تم وصف الطريقة العامة لتشغيل نظام تحديد المواقع الصوتي كمثال على نظام تحديد المواقع ذي الخط الأساسي الطويل (LBL) لمركبة ROV [ 3 ].

نشر محطة خط الأساس والمسح

طريقة تشغيل نظام تحديد المواقع الصوتي ذي الخط الأساسي الطويل (LBL) للمركبات الموجهة عن بعد (ROV) : أ: جهاز الاستجواب، ب، ج، د، هـ: أجهزة الإرسال والاستقبال الأساسية، و: كابل توصيل المركبة الموجهة عن بعد

تقيس أنظمة تحديد المواقع الصوتية المواقع بالنسبة إلى مجموعة من محطات خط الأساس، والتي يجب نشرها قبل بدء العمليات. في حالة نظام خط الأساس الطويل (LBL)، يتم نشر مجموعة من ثلاثة أجهزة إرسال واستقبال أو أكثر على قاع البحر. يجب بعد ذلك قياس موقع أجهزة الإرسال والاستقبال بدقة، إما بالنسبة لبعضها البعض أو في الإحداثيات العالمية . تساعد بعض الأنظمة في هذه المهمة من خلال مسح صوتي ذاتي آلي، وفي حالات أخرى يُستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتحديد موقع كل جهاز إرسال واستقبال عند نشره أو بعده. [ 3 ]

عمليات التتبع أو الملاحة

بعد نشر خط الأساس وإجراء المسح، يصبح نظام تحديد المواقع الصوتي جاهزًا للتشغيل. في مثال خط الأساس الطويل، يُركّب جهاز استجواب على المركبة الموجهة عن بُعد (ROV) المراد تتبعها. يُرسل جهاز الاستجواب إشارة صوتية تستقبلها أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بخط الأساس. ثم يُستقبل رد أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بخط الأساس مرة أخرى في المركبة الموجهة عن بُعد. تُرسل بيانات زمن انتقال الإشارة، أو المسافات المقابلة بين جهاز الاستجواب وأجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بخط الأساس، عبر كابل المركبة الموجهة عن بُعد إلى السطح، حيث يُحسب موقع المركبة ويُعرض على شاشة التتبع. يمكن تعزيز قياسات المسافة الصوتية ببيانات مستشعر العمق لتحسين دقة تحديد الموقع في الفضاء ثلاثي الأبعاد تحت الماء. [ 3 ]

يمكن لأنظمة تحديد المواقع الصوتية أن توفر دقة تتراوح من بضعة سنتيمترات إلى عشرات الأمتار، ويمكن استخدامها على مسافات تشغيل تتراوح من عشرات الأمتار إلى عشرات الكيلومترات. يعتمد الأداء بشكل كبير على نوع وطراز نظام تحديد المواقع، وتكوينه بما يتناسب مع المهمة المحددة، وخصائص البيئة الصوتية تحت الماء في موقع العمل. [ 3 ]

الصفوف الدراسية

تصنف أنظمة تحديد المواقع الصوتية تحت الماء بشكل عام إلى ثلاثة أنواع أو فئات واسعة [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

تستخدم أنظمة تحديد المواقع ذات الخط الأساسي الطويل (LBL) شبكة من أجهزة الإرسال والاستقبال المثبتة في قاع البحر. تُركّب هذه الأجهزة عادةً في زوايا موقع العمليات. تتميز أنظمة LBL بدقة عالية جدًا، تتجاوز عادةً مترًا واحدًا، وقد تصل أحيانًا إلى 0.01 متر، بالإضافة إلى تحديد مواقع دقيق للغاية [ 7 ] [ 8 ]. ويعود ذلك إلى تثبيت أجهزة الإرسال والاستقبال في الإطار المرجعي لموقع العمل نفسه (أي في قاع البحر)، مما يوفر تباعدًا واسعًا بينها، وبالتالي هندسة مثالية لحسابات الموقع، فضلًا عن أن نظام LBL يعمل دون الحاجة إلى مسار صوتي إلى سطح البحر (الذي قد يكون بعيدًا).

تعتمد أنظمة الخط الأساسي فائق القصر (USBL) وأنظمة الخط الأساسي فائق القصر جدًا (SSBL) المرتبطة بها على  مصفوفة محولات طاقة صغيرة (قطرها 230 مم مثلًا) ومتكاملة بإحكام، تُركّب عادةً في الطرف السفلي لعمود محولات طاقة قوي وصلب، مثبت إما على جانب السفينة أو في بعض الحالات على قاعها. [ 9 ] [ 10 ] على عكس أنظمة الخط الأساسي الطويل (LBL) والخط الأساسي القصير جدًا (SBL)، التي تحدد الموقع بقياس مسافات متعددة، تُستخدم مصفوفة محولات الطاقة في نظام USBL لقياس بُعد الهدف عن عمود محولات الطاقة باستخدام زمن تشغيل الإشارة، واتجاه الهدف بقياس فرق الطور لإشارة الرد كما تراه العناصر الفردية لمصفوفة محولات الطاقة. يحدد الجمع بين المسافة والاتجاه موقع الهدف المُتتبَّع بالنسبة للسفينة السطحية. بعد ذلك، تُستخدم مستشعرات إضافية، بما في ذلك نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وجيروسكوب أو بوصلة إلكترونية ووحدة مرجعية رأسية، للتعويض عن تغير موقع واتجاه (الميل، والدوران، والاتجاه) السفينة السطحية وعمود محولات الطاقة الخاص بها. تتميز أنظمة تحديد المواقع تحت الماء (USBL) بعدم حاجتها إلى مصفوفة أجهزة إرسال واستقبال في قاع البحر. إلا أن عيبها يكمن في أن دقة تحديد المواقع وموثوقيتها أقل من أنظمة تحديد المواقع على قاع البحر (LBL). ويعود السبب في ذلك إلى أن الزاوية الثابتة التي يحددها نظام USBL تؤدي إلى خطأ أكبر في تحديد الموقع عند المسافات البعيدة. كما أن تعدد أجهزة الاستشعار اللازمة لتعويض موضع قطب محول الطاقة واتجاهه في نظام USBL يُضيف أخطاءً إضافية. وأخيرًا، يتسبب عدم تجانس البيئة الصوتية تحت الماء في انكسارات وانعكاسات للإشارة، مما يؤثر بشكل أكبر على تحديد المواقع في نظام USBL مقارنةً بنظام LBL.

تستخدم أنظمة خط الأساس القصير (SBL) خط أساس يتكون من ثلاثة محولات طاقة سونار فردية أو أكثر، موصولة بسلك إلى صندوق تحكم مركزي. وتعتمد الدقة على المسافة بين محولات الطاقة وطريقة تركيبها. عند استخدام مسافة أوسع، كما هو الحال عند العمل من بارجة عمل كبيرة أو من رصيف أو منصة ثابتة أخرى، يمكن أن يكون الأداء مماثلاً لأنظمة خط الأساس الطويل (LBL). أما عند العمل من قارب صغير حيث تكون المسافة بين محولات الطاقة ضيقة، فتقل الدقة. ومثل أنظمة USBL، تُركّب أنظمة SBL عادةً على القوارب والسفن، ولكن توجد أيضًا طرق نشر متخصصة. على سبيل المثال، يستخدم معهد وودز هول لعلوم المحيطات نظام SBL لتحديد موقع المركبة الموجهة عن بُعد (ROV) "جيسون" في أعماق المحيط بالنسبة لوزن جهاز الضغط "ميديا" الخاص بها، بدقة مُبلغ عنها تبلغ 9 سم [ 11 ]. 

أنظمة العوامات الذكية المزودة بنظام تحديد المواقع العالمي (GIB) هي أجهزة LBL معكوسة، حيث تُستبدل المحولات بعوامات عائمة، تُحدد مواقعها ذاتيًا بواسطة نظام تحديد المواقع العالمي. يُحسب الموقع المُتتبع في الوقت الفعلي على السطح من خلال أوقات وصول الإشارات الصوتية المرسلة من الجهاز تحت الماء، والتي تستقبلها العوامات. يتيح هذا التكوين نشرًا سريعًا دون الحاجة إلى معايرة، بدقة مماثلة لأنظمة LBL. على عكس أنظمة LBL وSBL وUSBL، تستخدم أنظمة GIB إشارات صوتية أحادية الاتجاه من المُرسِل إلى العوامات، مما يجعلها أقل حساسية لانعكاسات السطح أو الجدران. تُستخدم أنظمة GIB لتتبع المركبات الآلية تحت الماء (AUVs) والطوربيدات والغواصين، ويمكن استخدامها لتحديد موقع الصندوق الأسود للطائرات، كما يمكن استخدامها لتحديد إحداثيات اصطدام الأسلحة الخاملة أو الحية لأغراض اختبار الأسلحة والتدريب [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ].

تاريخ الاستخدام وأمثلة عليه

تم تركيب نظام تحديد المواقع الصوتي قصير المدى (SBL) على متن سفينة الإمداد الأمريكية "يو إس إن إس ميزر" خلال عمليات البحث عن حطام الغواصة الأمريكية "يو إس إس ثريشر".
استرشدت الغواصة تريست بنظام تحديد المواقع الصوتي الخاص بها إلى ثريشر

كان أحد الاستخدامات المبكرة لأنظمة تحديد المواقع الصوتية تحت الماء، والتي يُعزى إليها الفضل في بدء تطوير هذه الأنظمة في العصر الحديث، [ 15 ] هو غرق الغواصة النووية الأمريكية يو إس إس ثريشر في 10 أبريل 1963 على عمق 2560 مترًا. [ 16 ] تم تركيب نظام تحديد المواقع الصوتي قصير المدى (SBL) على متن سفينة الأبحاث المحيطية يو إس إن إس ميزر . استُخدم هذا النظام لتوجيه الغواصة ترييستي 1 إلى موقع الحطام. ومع ذلك، كانت حالة التكنولوجيا آنذاك بدائية للغاية، فمن بين عشر غطسات بحثية قامت بها ترييستي 1، لم يتم التواصل البصري مع الحطام إلا مرة واحدة. [ 17 ] استُخدم تحديد المواقع الصوتي مرة أخرى في عام 1966، للمساعدة في البحث عن قنبلة نووية فُقدت أثناء تحطم قاذفة بي-52 في البحر قبالة سواحل إسبانيا، ثم انتشالها لاحقًا.

في سبعينيات القرن الماضي، تطلبت عمليات التنقيب عن النفط والغاز في المياه العميقة تحسين دقة تحديد المواقع تحت الماء لوضع أنابيب الحفر في الموقع الدقيق الذي تم الرجوع إليه سابقًا من خلال الأجهزة الزلزالية [ 18 ] ولتنفيذ مهام البناء الأخرى تحت الماء.

قامت الغواصتان الروسيتان MIR-1 و MIR-2 ، المتخصصتان في استكشاف أعماق البحار ، بالبحث في موقع حطام الغواصة اليابانية I-52 في عام 1998. وقد تم استخدام نظام تحديد المواقع LBL لتوجيه وتوثيق عملية البحث المتقدمة على مدار عدة غطسات.

استُخدمت هذه التقنية أيضًا في تطبيقات أخرى. ففي عام ١٩٩٨، قادت شركة "كيب فيردي إكسبلوريشنز" التابعة لخبير الإنقاذ بول تيدويل بعثةً إلى موقع حطام غواصة الشحن اليابانية "آي-٥٢" التي تعود إلى الحرب العالمية الثانية ، في منتصف المحيط الأطلسي. [ ١٩ ] كانت الغواصة ترقد على عمق ٥٢٤٠ مترًا، وقد تم تحديد موقعها والتعرف عليها باستخدام سونار المسح الجانبي وزلاجة سحب تحت الماء في عام ١٩٩٥. أشارت سجلات زمن الحرب إلى أن "آي-٥٢" كانت متجهة إلى ألمانيا، محملةً بشحنة تضم ١٤٦ سبيكة ذهبية في ٤٩ صندوقًا معدنيًا. استأجرت شركة تيدويل السفينة الروسية للأبحاث المحيطية " أكاديميك مستيسلاف كيلديش" مع غواصتيها المأهولتين "مير-١" و "مير-٢" المخصصتين للعمل في أعماق المحيط . ولتسهيل الملاحة الدقيقة عبر حقل الحطام وضمان بحث شامل، قامت "مير-١" بنشر شبكة أجهزة إرسال واستقبال طويلة المدى في الغطسة الأولى. على مدار سبع غطسات متتالية لكل غواصة، جرى البحث تدريجياً في منطقة الحطام. وأشارت سجلات تحديد المواقع إلى اتساع نطاق البحث بعد كل غطسة، مما سمح للفريق بالتركيز على المناطق التي لم تُبحث بعد خلال الغطسة التالية. لم يُعثر على أي ذهب، لكن نظام تحديد المواقع وثّق مدى البحث.

في السنوات الأخيرة، برزت عدة اتجاهات في مجال تحديد المواقع الصوتية تحت الماء. أحدها هو إدخال أنظمة مركبة، مثل دمج تقنيتي LBL وUSBL في ما يُعرف بتكوين LUSBL [ 20 ] ، لتحسين الأداء. تُستخدم هذه الأنظمة عمومًا في قطاع النفط والغاز البحري، بالإضافة إلى تطبيقات متطورة أخرى. ومن الاتجاهات الأخرى، إدخال أنظمة مدمجة ومُحسّنة خصيصًا لأغراض متنوعة. على سبيل المثال، قامت إدارة الأسماك والحياة البرية في كاليفورنيا بتشغيل نظام يقيس باستمرار مساحة الفتحة وشكل شبكة أخذ عينات الأسماك أثناء عملية الصيد. تُساعد هذه المعلومات الإدارة على تحسين دقة تقييماتها لمخزون الأسماك في دلتا نهر ساكرامنتو .

يُعدّ نظام NetTrack مثالًا على نظام تحديد المواقع الصوتية تحت الماء من نوع SBL، وهو نظام مُصمّم لقياس هندسة ومساحة فتحة شبكة الجرّ لأغراض التقييم الدقيق لمخزون الأسماك. على اليسار: أربعة مُستجيبات صغيرة (A، B، C، D) مُثبّتة في زوايا فتحة شبكة الجرّ وموصولة عبر وصلة (E) وكابل (F) بجهاز كمبيوتر محطة سطحية. في المنتصف: الشبكة مُنتشرة. على اليمين: يُرسل جهاز كمبيوتر المحطة السطحية تعليمات إلى مُستجيب واحد (مثل A) للإرسال، بينما يُوجّه المُستجيبات الأخرى (مثل B، C، D) للاستقبال. بهذه الطريقة، تُقاس جميع المسافات الست (A–B، A–C، A–D، B–C، B–D، C–D). تُستخدم الجوانب الأربعة للفتحة وقطر واحد لتحديد هندسة ومساحة فتحة شبكة الجرّ. يُستخدم القطر الثاني لحساب مقياس خطأ القياس للتحقق من جودة البيانات.

تم طرح أجهزة ذكية مقاومة للماء، مثل ساعة Apple Watch Ultra وجهاز Garmin Descent، لتؤدي وظيفة أجهزة كمبيوتر الغوص . تحتوي هذه الأجهزة على مستشعر لقياس العمق ، وتوفر ملفًا تعريفيًا للغوص ، وتنبيهات أمان للصعود السريع ومحطات تخفيف الضغط باستخدام بيانات العمق. في عام 2023، عرض باحثون من جامعة واشنطن نوعًا رابعًا من تحديد المواقع ثلاثي الأبعاد تحت الماء لهذه الأجهزة الذكية، لا يتطلب بنية تحتية داعمة كالعوامات. [ 21 ] بدلًا من ذلك، يستخدمون تقنيات تحديد المواقع الموزعة [ 22 ] من خلال حساب المسافات بين أزواج أجهزة الغوص لتحديد شكل بنية الشبكة الناتجة. وبدمج هذه البيانات مع بيانات مستشعر العمق من هذه الأجهزة، يستطيع الغواص الرئيسي حساب المواقع ثلاثية الأبعاد النسبية لجميع أجهزة الغوص الأخرى.

مراجع

  1. ↑ "اكتشاف الصوت في البحر" . جامعة رود آيلاند. مؤرشف من الأصل بتاريخ 23 فبراير 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 مارس 2009 .
  2. ↑ ميلن، ف. هـ. (1983). أنظمة تحديد المواقع الصوتية تحت الماء . شركة جلف للنشر، قسم الكتب. رقم ISBN 0-87201-012-0.
  3. 1 2 3 4 كريست، روبرت د.؛ ويرنلي، روبرت ل. (2007). دليل المركبات الموجهة عن بعد . الصفحات 96-103 . ISBN  978-0-7506-8148-3.
  4. ↑ "دليل المشغل السلس لأجهزة السونار والأجهزة الصوتية تحت الماء" . بلو روبوتكس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 يناير 2024 .
  5. ↑ ميلن 1983 ، الفصول 3-5
  6. ↑ كريست وويرنلي 2007 ، الأقسام 4.2.6-4.2.7
  7. ↑ "مجموعة أبحاث علم الآثار في المياه العميقة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا" . web.mit.edu/ .
  8. ↑ فولي، بي بي؛ ميندل، دي إيه (2002). "المسح الدقيق والمنهجية الأثرية في المياه العميقة" (ملف PDF) . مجلة إيناليا، مجلة المعهد اليوناني لعلم الآثار البحرية . المجلد السادس : 9-56 .
  9. ↑ ميلن 1983 ، الفصل 4
  10. ↑ كريست وويرنلي 2007 ، القسم 4.2.6.3
  11. ↑ بينغهام، برايان؛ ميندل، ديفيد؛ ويلكوكس، توماس؛ بوين، آندي (ربيع 2006). "دمج تحديد المواقع النسبي الدقيق في عمليات المركبة الموجهة عن بعد JASON/MEDEA" (ملف PDF) . مجلة جمعية التكنولوجيا البحرية . 40 (1): 87. Bibcode : 2006MTSJ...40a..87B . doi : 10.4031/002533206787353664 .
  12. ↑ كايزر، جاك ر.؛ كاردوزا، ميغيل أ.؛ ويد، ويليام ف.؛ ميرتس، جون هـ.؛ كيسي، ديفيد ر. (24-26 يناير 2005). نتائج تقييم الأسلحة من نظام اختبار وتدريب الأسلحة الصوتية بنظام تحديد المواقع العالمي (ملف PDF) . الاجتماع الفني الوطني لمعهد الملاحة (تقرير). سان دييغو، كاليفورنيا.
  13. ↑ كاردوزا، إم إيه؛ كايزر، جيه آر؛ ويد، بي. (أبريل 2006). "التسجيل البحري للذخائر الموجهة بدقة" (ملف PDF) . مجلة Inside GNSS . الصفحات 32-39 . 
  14. ↑ كاردوزا، ميغيل أ.؛ كايزر، جاك ر.؛ ويد، ويليام ف.؛ بينيت، ريتشارد ل.؛ ميرتس، جون هـ.؛ كيسي، ديفيد ر. (10 مارس 2005). تقييم الأسلحة البحرية باستخدام أجهزة استشعار صوتية سريعة النشر في الوقت الحقيقي (ملف PDF) . المؤتمر الوطني السنوي الحادي والعشرون للاختبار والتقييم . شارلوت، كارولاينا الشمالية.
  15. ↑ ميلن 1983 ، الفصل 2
  16. ↑ كريست وويرنلي 2007 ، ص 96 
  17. ↑ ميلن 1983 ، الفصل 3
  18. ↑ كريست وويرنلي 2007 ، القسم 4.2.1
  19. ↑ الغطسة الأخيرة، مجلة ناشيونال جيوغرافيك، أكتوبر 1999
  20. ↑ ديفيس (2002). بنية نظام تحديد المواقع الصوتية المرن (ملف PDF) . مؤتمر MTS لتحديد المواقع الديناميكي 2002. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 10 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 مارس 2009 .
  21. ↑ تشين، توتشاو؛ تشان، جاستن؛ غولاكوتا، شيامناث (10 سبتمبر 2023). "تحديد المواقع ثلاثي الأبعاد تحت الماء باستخدام الأجهزة الذكية" . وقائع مؤتمر ACM SIGCOMM 2023. ACM. الصفحات 33-48 . arXiv : 2307.11263 . doi : 10.1145/3603269.3604851 . ISBN  979-8-4007-0236-5. S2CID 260091258 . 
  22. ↑ الراجح، نبيل علي؛ بشير، مريم؛ شمس، بلال (2013-06-01). "تقنيات تحديد المواقع في شبكات الاستشعار اللاسلكية" . المجلة الدولية لشبكات الاستشعار الموزعة . 9 (6) 304628. doi : 10.1155/2013/304628 . ISSN 1550-1477 .