짧은 베이스라인 음향 포지셔닝 시스템

짧은 기준선(SBL) 음향 위치 확인 시스템은^[1] 수중 차량과 다이버를 추적하는 데 사용되는 3가지 광범위한 수중 음향 위치 확인 시스템 중 하나이다. 다른 두 등급은 초단기 기준계통(USBL)과 롱 기준계통(LBL)이다. USBL 시스템과 마찬가지로, SBL 시스템은 해저에 장착된 트랜스폰더나 장비가 필요하지 않으므로 정박 중이거나 진행 중인 보트나 선박에서 수중 표적을 추적하기에 적합하다. 그러나 고정된 정확도를 제공하는 USBL 시스템과 달리 변환기 간격에 따라 SBL 위치 정확도가 향상된다.^[2] 따라서 대형 선박이나 부두에서 작업할 때와 같이 공간이 허용되는 경우, SBL 시스템은 해저 장착 LBL 시스템과 유사한 정밀도와 위치 강건성을 달성할 수 있어 고정밀도 측량 시스템에 적합한 시스템을 만들 수 있다. 변환기 간격이 제한된 작은 용기에서 작동할 경우(즉, 기준선이 짧은 경우) SBL 시스템은 정밀도가 감소한다.

작동 및 성능

짧은 기준선 시스템은 예를 들어 추적 작업이 수행되는 표면 선박 측면 위로 낮아진 3개 이상의 변환기에서 대상의 거리를 측정하여 ROV와 같은 추적 대상의 위치를 결정한다. 압력 센서의 깊이 데이터에 의해 종종 보완되는 이러한 범위 측정은 대상의 위치를 삼각측량하는 데 사용된다. 그림 1에서 기준선 변환기(A)는 신호를 전송하며, 추적 대상의 트랜스폰더(B)에 의해 수신된다. 트랜스폰더가 응답하고, 3개의 기본 변환기(A, C, D)가 응답한다. 신호 실행 시간 측정은 이제 거리 B-A, B-C, B-D를 산출한다. 결과 대상 위치는 항상 기준 변환기의 위치에 상대적이다. 움직이는 보트에서 추적을 수행하지만 목표 위치를 위도/경도 또는 UTM과 같은 지구 좌표로 알아야 하는 경우, SBL 위치 확인 시스템은 보트에 장착된 GPS 수신기 및 전자 나침반과 결합된다. 이러한 계측기는 보트의 위치와 방향을 결정하는데, 이는 SBL 시스템의 상대적 위치 데이터와 결합되어 지구 좌표에서 추적 대상의 위치를 설정한다.

짧은 기준선 시스템은 (예를 들어 보트의) 기본 변환기의 간격이 로봇 차량이나 보트에서^[3] 멀리 떨어진 이탈 등과 같이 일반적으로 목표물까지의 거리보다 훨씬 작다는 사실에서 그 이름을 얻는다. 어떤 음향 위치 측정 시스템에서도, 더 큰 기준선은 더 나은 위치 정확도를 산출한다. 최상의 결과를^[4] 위해 변환기 간격을 조정하여 이 개념을 유리하게 사용함 더 큰 배, 부두 또는 더 큰 변환기 간격을 사용할 수 있는 해빙에서 운용할 때, SBL 시스템은 해저 장착 LBL 시스템에 근접하는 위치 정확도와 강건성을 산출할 수 있다.

역사

SBL 시스템은 다양한 종종 전문화된 애플리케이션에서 사용된다. 아마도 수중 음향 위치 확인 시스템의 첫 번째 구현은 미국 해군 해양학 선박 USNS 미자르에 설치된 SBL 시스템이었을 것이다. 1963년, 이 시스템은 미국 핵잠수함 USS Traakher의 난파선 현장으로 바티스캡체 트리에스테 1호를 안내했다. 하지만 여전히 성능이 너무 떨어져 트리에스테 1의 검색 다이빙 10개 중 육안 접촉은 잔해와 단 한 번밖에 이뤄지지 않았다.

우즈 홀 해양학 연구소는 JASON이 차량과 연관된 MEDEA 압축기 중량 및 도킹 스테이션에 상대적으로 심해 로봇 차량을 계류하기 위해 SARPS SBL 시스템을 사용하고 있다. 쌍의 전개 거리에 따라 정확도가 저하될 수 있는 위치 확인 시스템을 사용하여 두 차량을 모두 추적하는 대신, SBL 기준 변환기는 MEDEA에 장착된다. 시스템의 배치 깊이와 무관하게 양호한 정확도로 MEDEA에 상대적인 제이슨의 위치를 양보한다. 보고된 정확도는 0.09m이다^[5].

또한 SBL 시스템은 소형 ROV 및 기타 해저 차량과 장비의 위치설정을 위해 상업적으로 이용할 수 있다.^[6]

예

SBL 기술의 예는 현재 (2007년 이후) 남극에서 진행 중이며, 모스 랜딩 해양 연구소는 SCINI 원격 작동 차량을 안내하기 위해 FILT SBL 시스템을 사용하고 있다. SCINI(그림 2)는 남극 대륙 주변의 빠르고 복잡하지 않은 배치와 탐험을 위해 고안된 소형 어뢰 모양의 테더링 차량(ROV)이다. SCINI 시스템은 헬리콥터, 추적 차량, 심지어 사람이 끄는 썰매에 의한 신속한 배치를 용이하게 하기 위해 소형이고 가벼운 무게로 설계되었다. 일단 현장에 도착하면 어뢰 모양의 몸체는 작은 직경(20cm 직경)을 통해 바다에 접근할 수 있다. 해빙에 뚫린 구멍 그러나 이 임무의 과학^[7] 목표는 항법에서 높은 정확도를 요구하며, 10m 비디오 트랑섹트(직선)를 실행하고, 벤트히 생물체의 분포와 인구 밀도를 기록하기 위한 정밀한 이미지를 위한 정확한 위치를 제공하고, 추가 조사를 위해 사이트를 표시하고 재방문하는 것을 포함한다.

SBL 항법 시스템(그림 3)은 케이블로 제어함(D)에 연결된 5cm 직경의 소형 음파선 변환기(A, B, C) 3개로 구성된다. 소형(13.5cm L x 4cm D), 실린더 모양의 트랜스폰더가 SCINI 차량에 장착된다. 정확도는 대부분의 SCINI 배치의 경우 약 35m인 기본 변환기를 배치하기 위해 평평한 해빙을 사용하여 최적화된다.

그림 4는 SBL 시스템이 안내하는 SCINI 작동을 검토한다. 그림 4A는 급조된 ROV 제어실이며, 이 경우 케이프 아미티지(Cape Armitage)의 얼음 구멍 위에 올려진 오두막의 경우. 왼쪽부터 디스플레이는 ROV 제어 화면(A), 메인 카메라 뷰(B), 내비게이션 화면(C), 과학 디스플레이(D)이다. ROV 파일럿은 일반적으로 메인 카메라 뷰를 시청할 것이다. 그는 현재 ROV 위치와 트랙이 차트에 겹쳐 있는 내비게이션 화면(C)을 보고 방향을 정하고 과학자가 지시하는 위치로 ROV를 안내한다. 여기에 오른쪽에 앉은 과학자는 위치, 깊이, 시간 데이터를 실시간으로 결합한 과학 디스플레이(D)를 제공한다.D)를 제공한다. 과학자는 컴퓨터에 글을 쓰거나 청각적 관찰을 입력하여 데이터에 대한 맥락을 제공하거나, 관심 사물을 메모하거나, 비디오 트랜섹터의 시작 또는 결론을 지정한다(그림 4B).

초기 조사, 스틸 이미지 획득 및 비디오 트랜섹션과 같은 작업이 점차 완료됨에 따라 현장의 일반적인 조사는 여러 다이브에 걸쳐 이루어질 것이다. 이러한 다이브 시리즈에서 중요한 요소는 사전 탐색 범위를 보여줌으로써 연속적인 다이빙이 이전에 방문하지 않은 지역을 대상으로 할 수 있도록 하는 것이다. 이는 다이빙 현장의 누적 적용 범위 그림을 생성함으로써 이루어진다(그림 4C). 모든 다이빙 후에 업데이트되는 플롯은 탐색 화면에 배경 지도로 표시되므로 진행 중인 다이빙에 대한 지침을 제공한다. 그것은 깊이를 나타내기 위해 사용된 색상의 이전의 ROV 트랙을 보여준다. 여기에 표시된 트랙 데이터의 분석은 측정값에 오차 한계를 제공하는 위치의 품질을 산출한다. 이 경우 일반적인 정밀도는 0.54m로 정해졌다.

• 

  그림 3: Cape Evans에서 SBL 포지셔닝 시스템 배포. 기준선 음파탐지기(A, B, C)의 간격을 최대화하고 이를 정삼각형으로 배열하면 정확도가 가장 높다.

• 

  그림 4A: ROV 제어용 디스플레이 화면(A), 메인 카메라 뷰(B), SFL 내비게이션 디스플레이(C), 이미지 주석 또는 과학 화면(D) 4개가 있는 SCINI 제어실

• 

  그림 4B: 이미지, 관련 위치, 시간 및 과학자의 관찰 또는 진술이 하나의 기록으로 결합됨

• 

  그림 4C: 케이프 아미티지(Cape Armitage)에서 복수의 SCINI 다이브의 현장 적용 범위 그림. 색상이 표시된 점은 차량의 깊이 코드화된 위치 추적이다.

참조