DPS KONUMLADIRMA REFERANS SİSTEMLERİ (HPR / HiPAP)
- BÖLÜM 6
Bu bölümde DPS Mevki Referans Sistemleri arasında, üçüncü başlığımızda yer alan HiPAP / HPR sistemleri üzerine hangi amaç için kullanılır? Çalışma sistemi nasıldır? Genel ve teknik bilgi, içerikli yazımı sizlerle paylaşmaya çalışacağım.
3. Akustik Hassas Mevki Referans Sistemi (HiPAP/HPR) Çalışma Prensibi
Dinamik konumlandırma sistemi, gemi mevkisini belirli bir noktada sabit tutabilmek için mevki referans bilgilerine ihtiyaç duyar. Bu maksatla HiPAP (High Precision Acoustic Positioning) sistemi kullanılır. HiPAP’ın takip edebileceği sualtı nesneleri ROV, DSRV veya bir denizaltı olabilir. Benzer şekilde su altına yerleştirilmiş (sabit) bir transponder de HiPAP tarafından takip edilebilir.
Yüksek hassasiyette çalışabilmek için HiPAP özel sinyal işleme tekniklerini kullanır. HiPAP sistemi sualtındaki bir nesnenin mevkisini bulabilmek (bu nesnenin DKS tarafından referans noktası olarak kullanılabilmesi için), söz konusu nesnenin üzerine bir sualtı transmisyon kaynağı (transponder) yerleştirilmiş olmasına ihtiyaç duyar. HPR, deniz tabanına yerleştirilen transponder(ler) ile iletişim kuran bir gemi üzerindeki transdüser(ler) den oluşur. Transdüserler gövdenin altına indirilir ve deniz tabanına bir transponder yerleştirildiğinde, transdüserler sorgulamaya başlayabilir. Transponder sorgulamayı yapıyor ve kendi frekansıyla cevap veriyorsa dönüştürücü cevabı alır ve transponderin menzilini ve yönünü belirleyebilir. HiPAP tarafından sualtındaki transponderin mevkisi tespit edilir ve bu mevki bilgisi ham veri olarak DKS’ye gönderilir. DKS, HiPAP’dan gelen veriler ile geminin sualtındaki nesne üzerinde veya belli bir mesafede sabit olarak kalmasını sağlayabilir. Bu açıdan HiPAP, DKS için bir mevki referans sistemidir.
HiPAP sistemi, Kongsberg firmasınca geliştirilen özel bir akustik sinyal işleme metodu ve iletişim protokolünü (Cymbal) kullanır.Cymbal iletişim protokolü açısal hassasiyeti %30 daha arttırılmış, daha uzun mesafeye ulaşabilen, 0,02 metreye varan mesafe hassasiyetinde (cNODE transponderle birlikte kullanıldığında), yüksek mevki bilgisi güncelleme oranına sahip, transponder çıkış gücünü otomatik olarak ayarlayabilen (batarya ömrünü arttırmak için), farklı telemetre verilerini destekleyen, telemetre verileri ile mevki bilgileri arasındaki ayrımı artıran bir sinyal işleme metodu ve iletişim protokolüdür.
HiPAP sistemi, aşağıdaki ana elemanlardan meydana gelir:
● Tekne ünitesi (Transdüser, tekne valfı, asansör mekanizması).
● Transdüser indirme/kaldırma (asansör) kontrol paneli.
● Gönderme/Alma kabineti (Transceiver).
● Operatör İstasyonu: Akustik Mevki Sistemi bilgisayarı (APC) ve donanımı (ekran, klavye,
iztopu, ağ anahtarları).
Şekil 3.1 HiPAP Sistemi
HiPAP sistemi 21-31Khz frekans bandında çalışır. Sistemin transdüseri 241 adet akustik elemana (kristal yapıdaki ses alıcılar) sahiptir ve tam olarak küresel bir yapıdadır. Transdüserde yer alan akustik elemanların her biri ayrı ayrı sinyal işleme ünitesi ile veri transferinde bulunur. Tekne valfı elle açılıp kapatılabilen bir valf olup, açık ve kapalı konumları için sensör mevcuttur. Bu sensörler valf kapalıyken transdüserin aşağı alınmasını engeller.
HiPAP transdüserinde kullanılan dar band sinyalin avantajları:
● Yüksek hassasiyet,
● Uzun mesafe çalışabilme,
● İyi bir gürültü zayıflatma kabiliyeti,
● Çoklu sinyal (yansımalar) bastırabilme.
Şekil 3.2 HiPAP Transdüserinin Çalışma Açıları
HiPAP sisteminin sualtındaki bir nesnenin veya denizaltının mevkisini hassas olarak belirleyebilmesi için söz konusu nesne üzerinde akustik sinyal kaynağı olmalıdır. Bu akustik sinyal kaynağı farklı yapıda ve çalışma frekansında olabilir. MPT/SPT/MST serisi transponderler frekans kaydırma (FSK) modülasyon tipinde çalışırlar, cNODE tipi transponderler ise
“cymbal” akustik veri iletişim protokolünü kullanır.
Transponderler sistemden tamamen bağımsız olarak çalışan birimler olup HiPAP sisteminin alt parçaları olarak tanımlanmıştır. Aşağıdaki şekilde farklı tip ve model transponderler örnek olarak gösterilmiştir.
Şekil 3.3 Transponderler
Sualtından alınan akustik sinyallerin hassas ve detaylı olarak incelenmesi ve sinyali gönderen cihazın (transponder) mevki bilgisinin çıkartılabilmesi için akustik sinyalin bir hüzme şekline getirilmesi gerekir (beam). Bu işlem DSP vasıtasıyla yapılır. Sistemde yer alan sayısal sinyal işleme birimi (DSP), gelen akustik sinyalin fazını ve sinyal seviyesini ölçerek transponderden gelen akustik sinyalin yatay ve dikey açısını tespit eder. Açısal ölçümlerin hassas ve doğru olarak yapılabilmesi maksadıyla (HiPAP sisteminin yüksek mevki hassasiyetinde çalışabilmesi için) çok hassas ve doğru sensör (cayro ve MRU) bilgilerine ihtiyaç duyulur.
Aşağıdaki şekilde gemi hareketlerini algılayan sensör (MRU) kullanıldığında, HiPAP mesafe hassasiyetindeki artış grafiksel olarak gösterilmiştir.
Şekil 3.4 HiPAP Mesafe Hassasiyeti
Akustik sinyalin çok dar bir hüzmeye dönüştürülmesiyle, sinyaldeki bozulmalar (S/N oranı) en düşük seviyeye indirilir ve uzun mesafeli çalışma ortamı sunulur. Oluşturulan dar hüzme sayesinde transponderden gelen sinyal akustik yansımalardan ve aynı yönde gelen diğer seslerden arındırılarak sistemin hassasiyeti arttırılır.
Ses enerjisinin su altında yayılım özellikleri (dipteki deniz suyu sıcaklığı, tuzluluğu ve basıncına bağlı olarak oluşan tabakalar ve bu tabakalarda ses enerjisinin hızının değişmesiyle kırılıma uğraması) HiPAP tarafından yapılan ölçümlerin doğruluğuna etki eder. Bu yüzden HiPAP sisteminin kullanıldığı bölgedeki deniz suyunun özellikleri ve ses enerjisinin yayılımının bilinmesi, HiPAP hassasiyeti ve ölçüm değerlerinin doğruluğu açısından önem arzeder.
3.1 HiPAP Çalışma Modları
HiPAP sisteminin operatör konsolu olan APOS’da (Acoustic Positioning Operator Station) kullanılan yazılım Windows altında çalışır ve Kongsberg firmasınca üretilen DKS ile uyumludur. Sistem yazılımına bağlı olarak HiPAP çalışma modları:
● SSBL (Super Short Base Line): Yüksek hassaiyette sinyal işleme teknikleri kullanılarak tek bir transponderden alınan sinyaller ile mevki bilgisi bulunur.
● LBL (long Base Line): Geometrik bir saha olacak şekilde yerleştirilmiş transponderlerden alınan sinyaller kullanılarak mevki bilgisi bulunur.
● MULBL (Multi User Long Base line): Deniz tabanına yerleştirilmiş transponderler ile (LBL metodu) birden fazla geminin çalışmasına olanak verir (aynı anda birden fazla gemi aynı transponderleri kullanabilir).
● Telemetre: LBL kalibrasyonu ve ölçüm/kurulum maksadıyla diğer cihazlar ve BOP (Blow Out Preventer) sistemleri ile akustik muhabere kurulması.
SSBL ve LBL sualtı referans sistemleri için iki farklı ölçüm/hesaplama yöntemidir. SSBL prensibi derin sularda daha hassas bir çalışma imkanı verir. SSBL için Gemide monteli HiPAP transdüseri ve deniz tabanında gönderme yapan bir transpondere ihtiyaç duyulur. Tek bir transdüser ile derin sularda en uygun çözüm elde edilebilir.
- SSBL ölçüm prensibi:
Şekil 3.5 SSBL Ölçüm Prensibi
En basit mevki tespit prensibi olan bu metod, bazı kaynaklarda USBL (Ultra Short Base Line) olarak da adlandırılır. SSBL metodunda, deniz tabanında mevkisinin bulunması istenen nesne üzerine bir transponder yerleştirilmelidir. HiPAP sistemi, deniz tabanındaki bu transponderden aldığı akustik sinyalin trandüserindeki elemanlara (kristal yapısındaki ses alıcılar) varış zamanındaki farkları tespit ederek sinyalin yatay ve dikey açılarını ölçer. Transdüser elemanlarının kendi aralarındaki mesafe (çok kısa) bilindiğinden, sinyalin bu elemanlara geliş zamanındaki çok küçük farklar faz farkı olarak ölçülür. Bu ölçümlerin analizi sinyal işleme birimi (DSP) tarafından yapılır. DSP tarafından yapılan ölçüm ve hesaplamalar neticesinde transponderin üç boyutlu mevki bilgisi (mesafe-kerteriz) hassas olarak tespit edilebilir (geminin referans noktasına göre nispi olarak).
- LBL ölçüm prensibi:
LBL biraz daha karmaşık bir ölçüm prensibidir. Deniz tabanında bir alan oluşturacak şekilde yerleştirilmiş en az üç transpondere ihtiyaç duyulur. LBL metodunda bu transponderler arasındaki mesafe bilgileri kullanılır, dolayısıyla transponderlerin oluşturduğu alanın mesafe kalibrasyonu yapılmalıdır. HiPAP sistemi transponderler arasındaki mesafeleri hem akustik hem de telemetre sinyallerini kullanarak çok hassas bir şekilde ölçebilir. Normal şartlarda LBL metodu transponderlerin çalışma mesafesi içerisinde kalmak kaydıyla daha hassas bilgi verebilir. LBL metodunun mesafe hassasiyeti dipte oluşturulan transponder sahasının geometrik yapısına, ses enerjisinin sualtı yayılımının doğru olarak sisteme girilmesine ve sinyal gürültü oranına da bağlıdır. Uygun şartlar sağlandığında mesafe hassasiyeti birkaç santime düşebilir.
Şekil 3.6 LBL Ölçüm Prensibi
- Çok kullanıcılı LBL ölçüm prensibi:
Çok kullanıcılı uzun taban hattı (MULBL) hidroakustik konumlandırma sistemi ile Çeşitli Gemiler ve Uzaktan Kumandalı Araçlar (ROV) üniteleri aynı deniz yatağı tabanında bulunan transponder dizisini kullanarak kendilerini konumlandırabilirler. Bu yöntem, standart LBL’ ile mukayase edildiğinde daha hassas bir mevki bilgisi verebilir, az sayıda transponder kullanılarak pek çok geminin çalışması sağlanabilir, yaklaşık 2 saniye gibi çok kısa periyotta mevki güncellemesi sağlanabilir ve aynı sahada çalışan gemilerin kullanacağı transponderlerin birbirlerine müdahale etmesi önlenebilir (tüm gemiler sadece alıcı konumundadır).
Bu çalışma tipinde, transponderlerden bir tanesi ana kontrol görevini (master) üstlenirken, diğerleri yardımcı (slave) konumdadır. Ana transponder referans noktası olarak mevki belirleme işleminde, başlangıç noktası olarak çalışır. Ana transponder gemilerden sadece bir tanesi tarafından telemetre mesajları ile kontrol edilir ve kendine has bir kanaldan
mesajlarını gemilere yollar. Ana transponder diğer transponderler ile farklı kanallardan, gemiler ile farklı kanallardan iletişim kurar. Normal LBL çalışmada sorgulama işlemi gemi tarafından yapılırken bu yöntemde sorgulama işlemi deniz tabanına yerleştirilmiş transponderlerden bir tanesi (master) tarafından yapılır, diğer transponderler sırayla sorgulamaya cevap verirler (döngüsel olarak). Sistemi kullanan gemiler hem ana transponderi hem de onun sorguladığı diğer transponderlerin cevaplarını farklı kanallardan alır. Bu sinyalleri kullanarak deniz dibindeki transponderlerin mesafelerini hesaplar. Sorgulama gemi tarafından kontrol edilmediğinden, sorgulama sinyali ve buna verilen cevapların zamanlaması HiPAP tarafından bilinmez. Bu zamanlamaya ilişkin bilgiler de sistem tarafından yapılan hesaplamayla bulunmak zorundadır, bu hesaplamada gemilerin mevkileri dikkate alınmak zorundadır. Bu sistemde transponderlerin deniz tabanına yerleştirildikleri mevkiler ve transponderlerin kullandığı frekans kanalları, kullanıcı tüm gemiler tarafından kesin olarak bilinmek zorundadır.
Şekil 3.7 Çok Kullanıcılı LBL Metodu
- SSBL ve LBL kombine ölçüm prensibi:
Bu sistem de standart HiPAP transdüserini kullanır. Sistem aynı anda hem LBL hem de SSBL olarak çalışabilir. Örneğin; geminin mevkisi deniz tabanına yerleştirilmiş LBL transponderleri ile sabit tutulurken, aynı zamanda sualtı aracı (ROV) üzerinde yer alan bir transponder de gemi mevkisinin ROV’a göre nispi olarak tespit edilebilmesi/kontrol edilebilmesi maksadıyla SSBL için kullanılabilir. Bu durumda gemi mevkisi su altındaki transponder sahasına göre nispi olarak sergilenirken, ROV’un mevkisi de gemiye göre nispi olarak sergilenebilir.
3.2 HiPAP Ekran Görüntüsü
HiPAP sisteminin kullanıldığı operatör konsolu ekranında siteme ait bilgiler ve grafikler gösterilir. Ekran üç ana bölüme ayrılmıştır, operatör bu üç alanda farklı bilgileri izleyebilir (seçebilir). Aşağıdaki şekilde tipik bir ekran görüntüsü gösterilmiştir.
Şekil 3.8 HiPAP Ekran Görüntüsü
Geminin iticilerinden gelen veya teknenin hidrodinamik kaynaklı gürültülerinden transdüserin olumsuz şekilde etkilenmemesi için özel bir donanım ile transdüser karinadan aşağı sarkıtılır. Bu donanım tekne ünitesi olarak (asansör) adlandırılır. Tekne ünitesi, transdüserin aşağı/yukarı alınmasını sağlayan mekanik parçalara ve transdüser ile gemideki HiPAP ünitleri arasındaki elektriksel bağlantıları içerir. Tekne çıkışında sızmazlığı sağlayan bir valf mevcuttur (Gate Valve).
3.3 HiPAP Sisteminin İşleyişi
HiPAP sistemi SSBL çalışma modunda aşağıdaki işlem basamaklarını uygular:
● HiPAP öncelikle sualtında sabit bir mevkiye yerleştirilmiş transponderin mevkisini tespit eder. Bu işlem için transponderden gelen ve dar bir hüzme şekline getirilmiş akustik sinyali kullanır. Dar bir alış hüzmesi (beam), transdüserde yer alan çok sayıdaki elemanlardan alınan sinyallerin kullanılmasıyla sayısal hüzme oluşturucu (beam-former) tarafından oluşturulur.
● Hüzme oluşturucu tarafından meydana getirilen alış hüzmeleri kullanılarak transponderin tahmini mevkisi ortaya çıkartılır. Bu işlem yapıldıktan sonra, transponderin bulunduğu mevkiye bakan transdüser elemanları dar bir alış hüzmesi oluşturmak ve hassas yön hesaplaması için kullanılır.
● Mesafe hesaplaması ise sorgulama sinyali ile sorgulamaya verilen cevap sinyali arasındaki zaman ölçümüyle gerçekleştirilir. Oluşturulan dar alış hüzmesi, daima transpondere bakacak şekilde elektronik olarak dinamik bir yöntemle sabit tutulur. Transponder hareketli olabilir (bir ROV veya başka bir sualtı aracı üzerine yerleştirilmiş ise), ayrıca geminin yalpa ve meyiline bağlı olarak transdüser de transpondere nazaran nispi olarak hareket edebilir. Bu doğrultuda, gemi cayrosundan ve MRU’dan alınan veriler oluşturulan dar alış hüzmesinin elektronik olarak daima transpondere bakacak şekilde sabit tutulması maksadıyla belirli bir algoritmaya bağlı olarak kullanılır (dinamik hesaplama ve kontrol).
● HiPAP transdüseri, aynı anda en fazla 56 farklı transponder ile birlikte çalışabilme kapasitesine sahiptir. Transdüserden alınan sinyaller APC’ye gönderilir (HiPAP bilgisayarına). LBL metodunda kullanılan işlem basamakları ve hesaplama yöntemleri SSBL’de olduğu gibidir. Bu çalışma modunda her bir LBL sorgulaması için en fazla 8 transponderden gelen cevap kullanılabilir. LBL çalışma modunda tranponderlerin hem kerterizleri hem de mesafeleri ölçülür.
●Çok kullanıcılı LBL modunda (MULBL) kullanılan işlem basamakları ve hesaplama yöntemleri LBL ile aynı olup, transponder sorgulaması HiPAP tarafından yapılmaz ancak sorgulamaya verilen cevaplar HiPAP tarafından alınarak işleme tabi tutulur. MULBL yönteminde HiPAP en fazla 8 transponderi izleyebilir (master transponder). Transponderlerin yön bilgisi ve alınan sinyaller arasındaki zaman farkı bilgisi APC’ye gönderilir.
HiPAP telemetre mesajlarını oluşturur ve transpondere gönderir, benzer şekilde transponderden gelen akustik telemetre mesajlarını sayısal sinyale dönüştürerek APC’ye yollar.
3.4 “Cymbal” İletişim Protokolü
Günümüz HiPAP sistemleri hem sürekli dalga (FSK) hem de Cymbal akustik protokollerini kullanabilir. Cymbal geniş bant dediğimiz doğrudan bir dizi Spread Spectrum (DSSS) sinyalleri kullanır. Cymbal protokolü suya daha fazla enerji iletir ve böylece daha uzun menzile sahiptir. Ayrıca benzersiz kodlaması ile birlikte bir çok yeni HiPAP özelliklerini kullanılabilir hale getirir.
3.5 Hesaplama ve Ölçüm Düzeltmeleri
HiPAP sistemi sualtındaki bir kaynağa akustik enerji kullanarak veri gönderir ve yine akustik ortamda yayılan sinyaller ile bu kaynaktan gelen verileri alarak ölçüm ve hesaplamalar yapar. Bu yüzden hem transdüserin pozisyonu hem de ses enerjisinin sualtındaki yayılım paterni (hızı, kırılımı) yapılan hesaplamaların doğruluğu üzerinde oldukça önemli etkenlerdir. Bu etkenlerden kaynaklanan düzeltmeler ne kadar doğru ve hassas yapılırsa, alınan netice de o kadar doğru ve hassas olacaktır.
Geminin yalpa ve meyil hareketleri ile pruvasının yönü yapılan hesaplamalarda kullanılmak üzere gemi sistemlerinden alınır. Cayro ile pruva bilgisi ve MRU (DKS’nin bir parçası) ile yalpa-meyil (roll-pitch) bilgileri için arayüz mevcuttur.
Örneğin: 0,25º’lik yalpa veya meyil hatası 1000 metrede (transponder derinliği) 4,4 metre; 3000metre transponder derinliğinde 13 metre mesafe hatasına sebep olacaktır. Benzer şekilde 0,05º’lik yalpa veya meyil hatası 1000 metrede (transponder derinliği) 0,9 metre; 3000 metre transponder derinliğinde 2,6 metre mesafe hatasına sebep olacaktır.
Ses enerjisinin su altındaki hızı başka bir sistem tarafından tespit edilerek HiPAP’a transfer edilebilir. Transponderin üzerindeki basınç sensöründen alınan bilgi veya ROV üzerindeki basınç sensöründen alınan bilgi de HiPAP sistemi tarafından hesaplamaların düzeltilmesinde kullanılabilir.
Özetle hidroakustik konumlandırma sistemi hem bir verici (Transdüser-Gemide) hem de bir alıcı (Transponder-Deniz Tabanında) içerir. Transdüserden bir sinyal gönderilir ve deniz dibi transponderine doğru yönlendirilir. Bu sinyal, geminin dönüştürücüsüne (Transdüser) hemen cevap veren transponder’i aktive eder. Transdüser, elektronik hesaplama ile, transponderin tekneye göre konumunu hesaplar. Yukarda detaylı anlattığım şekilde sistemin işleyişi ve çalışma prensibi bu şekildedir.
Sonraki konularımızı başka bir bölümde aşağıdaki sırada anlatmaya devam edeceğim.
4. Artemis
5. Taut Wire
6. Fanbeam
7. RADius
HAZIRLAYAN
ÇAĞLAR ASLAN
UZAKYOL 2. KAPTAN
(20)
