Системы подводного позиционирования позволяют определять местоположение объектов под водой для навигации, инспекций, строительства и спасательных операций. В отличие от GNSS (GPS, GLONASS, Galileo), которые работают только при прямой видимости спутниковых сигналов, акустические методы эффективно распространяются в воде и позволяют измерять расстояния и углы между объектами.

USBL (Ultra-Short Baseline — сверхкороткая базовая линия) — одна из наиболее распространённых технологий акустического позиционирования. Она обеспечивает определение пространственного положения подводного маяка или транспондера (например, на ROV, AUV, буксируемой системе или водолазе) относительно поверхности, где расположена гидроакустическая антенна.

 

Принцип работы USBL

В основе USBL — измерение времени распространения акустического сигнала (Time of Flight) и угла прихода акустической волны.

🔹 Запрос (ping): надводный трансивер посылает акустический импульс.

🔹 Ответ (reply): транспондер или маяк под водой принимает сигнал и отправляет ответный импульс.

🔹 Измерение задержки: система определяет время между отправкой и приёмом ответа, на этой основе рассчитывает расстояние.

🔹 Определение углов: многоканальный приёмный массив фиксирует фазовые сдвиги/временные задержки между элементами и вычисляет угол прихода.

🔹 Позиция вычисляется в полярных координатах (дальность + азимут + угол места), а затем может переводиться в абсолютные координаты (например, WGS-84) при подключении GNSS и датчиков ориентации судна.

 

Состав системы USBL

Типичный комплект USBL включает:

🔹 Подводная головка (transceiver / head) — акустический антенный массив, работающий на передачу и приём. Монтируется на штанге (pole mount), опускается через борт, на мачте DP-судна или через специальный ворот.

🔹 Консоль / topside electronics — интерфейс для обработки сигналов, управления режимами, калибровки и выдачи данных.

🔹 Маяк/транспондер (beacon / responder) — автономный акустический блок с батареей, установленный на объекте слежения.

USBL, это не какой-то один датчик, а комплекс с точной геометрией размещения, синхронизацией и алгоритмы обработки.

 

Диапазон частот и физика распространения

🔹Большинство коммерческих USBL работает в диапазоне 12–30 кГц. Это компромисс между дальностью, точностью и шумоустойчивостью:

🔹 Низкие частоты (8–14 кГц) — большая дальность (до нескольких километров), но хуже угловая точность.

🔹 Средние (18–30 кГц) — оптимальны для ROV / AUV, строительства, инспекций на глубинах 0–3000 м.

🔹 Высокие (>40 кГц) — высокая точность, но короткая дальность и сильная деградация в шуме.

В реальных проектах диапазон выбирают с учётом глубины, акустической обстановки (буровые установки, газовые струи, судовые винты), температуры воды и слоистости.

 

Методы оценки углов и расстояний

Позиционирование USBL основано на многолучевом приёмнике, как правило фазовом или временном. Алгоритмы включают:

🔹 Time Difference of Arrival (TDOA) — измерение относительных задержек.

🔹 Phase differencing — фазовый метод для высокой точности при стабильной геометрии массива.

🔹 Least Mean Squares (LMS) / Beamforming — метод наименьших квадратов и цифровая апертура для вычисления углов.

Физически USBL работает ближе к концепции миниатюрного гидролокатора с пространственным анализом, а не просто «маяк услышал — найдена точка».

Что влияет на точность USBL

Точность обычно выражают не в метрах абсолютного отклонения, а в процентах от расстояния:

🔹 Классическая USBL: 1–3% дальности.

🔹 Высокоточные системы с INS и калибровкой: 0.2–0.5% дальности.

На точность влияют:

• Длина штанги и тип установки (жёсткость, вибрации, погружение)
• Отражения акустического сигнала (от лодки, днища, конструкции буровой платформы)
• Температурно-солёностный профиль (может возникать рефракция сигнала на границах слоев)
• Стабилизация судна (качка, дрейф)
• Геометрия массива приема

Чтобы повысить точность, профессиональные системы USBL всегда привязывают к системам ориентации судна.

Интеграция с INS и GNSS

Для получения абсолютных координат USBL совмещают с:

🔹 GNSS-приёмником корабля — это позволяет зафиксировать положение антенны в глобальной системе координат.

🔹 INS/IMU — компас, гироскопы, акселерометры, иногда DVL.

INS компенсирует движение судна (yaw / pitch / roll) и позволяет преобразовать углы прихода сигнала USBL в координаты без ошибок «качки». Такое объединение называют USBL aided INS или INS aided USBL.

Преимущество связки INS+USBL:

• меньший дрейф координат;
• меньшая потребность в постоянной перекалибровке;
• возможность точного позиционирования при временных пропусках сигнала.

Варианты ответа транспондера

Современные USBL не отвечают «на любой звук». Реализуется:

🔹 кодированная модуляция (spread spectrum, FHSS);
🔹 уникальные ID-ответы для разных маяков;
🔹 временные слоты для многопользовательского режима.

Это позволяет отслеживать множество объектов без постоянных ложных откликов и защищает систему от шумов, отражений и сторонних акустических сигналов.

 

Применение USBL

🔹 навигация ROV/AUV при инспекциях трубопроводов, ЛЭП, платформ;
🔹 поддержка водолазных операций — отслеживание людей в воде;
🔹 морское строительство и монтаж якорных систем;
🔹 геофизические и гидрографические исследования;
🔹 позиционирование буксируемых систем (ГБО, магнитометры);
🔹 работы на глубинах 200–6000 м.

USBL и проблема GNSS под водой

GNSS не проникает под воду, поэтому человек или аппарат могут получать координаты одним из нескольких способов. например:

• по кабелю от поверхностного буя/судна;
• по акустическому каналу через USBL — судно знает положение аппарата и передаёт данные.

Установленные на снаряжении водолаза компактные акустические маяки позволяют оператору контролировать местоположение каждого водолаза и передавать им голосовые сообщения (через UQC / систему подводной связи).

 

Почему USBL зачастую предпочтительнее LBL

LBL (Long Baseline) даёт более высокую абсолютную точность, но требует развертывания сети донных маяков и калибровки, это дорого и требует немало времени на развертывание.

USBL

• разворачивается с поверхности за минуты;
• не требует установки опорной инфраструктуры под водой;
• подходит для временных миссий, инспекций, решения аварийных задач;
• универсален для отслеживания множества целей.

Ограничение — необходимо, чтобы каждый объект имел транспондер.

 

💎 Итого

USBL — это система, измеряющая время и углы прихода акустических сигналов для определения положения объекта под водой. Точность и надёжность сильно зависят от калибровки, геометрии установки и акустической среды. Для решения серьёзных задач USBL почти всегда интегрируют с INS и GNSS.

- -