Морские информационно-управляющие системы. Декабрь 2014, № 3 (6) by Dimitry Lukash

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ

ОАО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ»

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ

Межотраслевой корпоративный научно-технический журнал

редакционная коллегия:

ИЗДАТЕЛЬ:

АНЦЕВ Георгий Владимирович генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», член президиума Морской коллегии при Правительстве РФ, главный редактор

Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»

КОБЫЛЯНСКИЙ Валерий Владимирович заместитель генерального конструктора по инновационной политике ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», заместитель главного редактора НОВИКОВ Евгений Станиславович главный конструктор направления ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» БЕКИШЕВ Анатолий Тимофеевич генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «НПП «Салют» БОНДАРЬ Михаил Владимирович главный научный сотрудник ОАО «ЦНИИ «Курс» ГОЛУБЕВ Анатолий Генадьевич доктор технических наук, ОАО «КГФИ» ГЛАДИЛИН Алексей Викторович директор института ФГУП «АКИН» КОПАНЕВ Александр Алексеевич генеральный директор ОАО «НПФ «Меридиан» МАКЛАЕВ Владимир Анатольевич генеральный директор ОАО «НПО «Марс» НЕМЫЧЕНКОВ Владимир Сергеевич генеральный директор, председатель научно-технического Совета ОАО «Тайфун» ПИРОГОВ Всеволод Анатольевич первый заместитель директора института по научной работе ФГУП «АКИН» ПРИХОДЬКО Иван Михайлович технический директор ОАО «НИИ «Атолл»

Севмашу

КОЛОНКА РЕДАКТОРА

Уважаемые друзья!

В этом году исполняется 75 лет одному из крупнейших судостроительных комплексов России – ОАО «ПО «Севмаш». Масштабная кораблестроительная программа реализуется на предприятии с 1939 года. За свою историю Севмаш передал Военно-морскому флоту страны 132 атомных, 36 дизель-электрических подводных лодок и 45 надводных кораблей. Завод дал жизнь кораблям, установившим рекорды подводной скорости, глубины погружения и подводного водоизмещения. Атомные ракетоносцы, созданные корабелами верфи, являются основой морской составляющей ядерных сил России. Сегодня Севмаш – это по-прежнему динамично развивающаяся верфь, сочетающая многолетний опыт судостроения и современный подход в производстве, единственная верфь в России, ведущая строительство атомных подводных лодок. С 2008 года предприятие вошло в состав ОАО «Объединенная судостроительная корпорация» и является участником Технологической платформы «Освоение океана». Коллектив ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» присоединяется к поздравлениям, выражая признательность предприятию, сохраняющему преданность делу на всем протяжении своей истории и строящему великие корабли, внося выдающийся вклад в укрепление мощи Военно-морского флота России! Анцев Георгий Владимирович главный редактор

Материал о Севмаше – на с. 6-13 1

ПРЕЗИДЕНТ РОССИИ В.В. ПУТИН ПОСЕТИЛ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ЦЕНТР КОМПЕТЕНЦИЙ ОАО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ» 12 ноября 2014 года в рамках рабочей поездки на Дальний Восток Президент России В. В. Путин посетил Дальневосточный центр компетенций ОАО «Концерн «Моринсис-Агат». Ректор Дальневосточного Федерального университета С. В. Иванец и генеральный директор-генеральный конструктор концерна Г. В. Анцев доложили Президенту о планах взаимодействия по развитию Дальнего Востока. Президенту Российской Федерации были представлены проекты использования новейших образцов гражданского скоростного судостроения: разработанные совместно с ОАО «ЦКБ по СПК им. Р. Е. Алексеева» скоростные суда на воздушной подушке, суда на воздушной каверне и новое поколение гражданских экранопланов для обеспечения транспортных коридоров Дальнего Востока и Сибири. Эксплуатация таких судов, как судно на подводных крыльях «Циклон» (вместимость 250 человек, скорость 50 узлов, предлагаемые маршруты: Владивосток – ЮжноСахалинск, Южно-Сахалинск-Южно-Курильск), «Комета» (120 человек, скорость 35 узлов, предполагаемые мар2

шруты: Владивосток – Славянка, Ванино – Холмск, Де-Кастри – Александрово‑Сахалинский, ПетропавловскКамчатский – Усть-Камчатский), судов на воздушной каверне (возможный маршрут: Владивосток – Находка – Ольга), позволит экономически эффективно решить проблему транспортировки пассажиров и грузов в регионе. В Дальневосточном Центре компетенций Президенту Российской Федерации были также продемонстрированы и другие инновационные работы концерна: универсальная подводная транспортная роботизированная система (ОАО «Изумруд»), единая информационная система обеспечения прохода кораблей и работ на покрытых льдом участках шельфа, разработанные совместно с ОАО «НПП «Радар ММС» и Горным университетом, беспилотные комплексы на самолетной и вертолетной базе, а также новейшие гидроакустические системы.

Отдельное внимание Президента привлекли совместные с предприятиями-партнерами разработки Концерна в области систем мониторинга лесных пожаров, которые при поддержке правительства Приморского края предполагается в ближайшее время внедрить в регионе. К визиту Президента России на Дальний Восток приурочено также подписание генерального соглашения между Дальневосточным Федеральным университетом и ОАО Концерн «Моринсис-Агат». Соглашение предполагает создание, помимо уже развернутого на территории ДВФУ Центра компетенций Концерна, еще и инжинирингового центра, а также реализацию пятилетней программы сотрудничества в области НИОКР (на совместные работы будет выделено порядка 500 миллионов рублей). Кроме того, планируется развертывание совместных инновационных программ с ОАО «Роснефть», которое также открыло свое представительство на базе ДВФУ. С учетом потенциала уже имеющихся наработок, при поддержке руководства Приморского края, Концерн выступает в качестве инициатора создания кластера по подводной робототехнике, что позволит решить ряд экономических, научно-технологических и социальных задач Дальневосточного региона. 3

СОДЕРЖАНИЕ CONTENT

МОРСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО–УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ No. 3 (6) / 2014 Президент России В.В. Путин посетил Дальневосточный центр компетенций ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» 2

ПРОЕКТЫ, РЕКОМЕНДОВАННЫЕ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ 57

Севмашу 75 лет! 6 Гидроакустические средства визуализации для необитаемых подводных аппаратов В.М. Лекомцев, Д.В. Титаренко АО «Акустический Институт им. академика Н.Н. Андреева»

Сеть декаметровой радиосвязи для арктического региона России Д.Е. Зачатейский, В.А. Березовский, В.Л. Хазан ИМ СО РАН ОАО «ОНИИП» ОмГТУ 62

Позиционирование приемных антенн в стационарных гидроакустических комплексах глубокого моря В.О. Гравин КГФИ 20

Высокочастотный магнитометрический контроль положения подводных техногенных объектов А.Н. Иваненко, А.Г. Горшков, А.Ф. Бункин Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» 32 Методы навигации автономных необитаемых подводных аппаратов по аномальному магнитному полю А.Г. Горшков, А. Н. Иваненко ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 40

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» на III Московском международном форуме «Открытые инновации» 52

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» на международной научной конференции «Открытая Арктика» 56

Создание единого информационного пространства по обеспечению безопасности мореплавания в акватории СМП на основе интеграции радиооборудования и использования информационных технологий А.А. Брыксенков, А.Р. Шигабутдинов, И.В. Дулькейт, С.А. Завьялов, А.В. Косых, В.Л. Хазан, В.В. Ханычев Полярная комиссия РГО, консорциум ЦРТП ЗАО «ЦНИИМФ» ОмГТУ ОАО ЦНИИ «КУРС» 68 Создание уральского полярного транспортного коридора А.В. Сысоев СОСПП, Уральский строительный кластер

Оптический канал передачи видеоизображений с подводных мобильных роботов для различных типов вод и климатических зон С.Н. Кириллов, И.В. Косткин, В.Т. Дмитриев ФГБОУ ВПО РГРТУ 44

Панельная дискуссия «Инновации в освоении океана: от технологической платформы к созданию кластера» на VII Петербургском Международном инновационном форуме 54

Создание судна для подводно-технических работ на морских нефтегазопромыслах А.А. Пономаренко ОАО «ЦМКБ «Алмаз» 58

Разработка программного обеспечения с использованием облачных технологий для комплексного моделирования и прогнозирования последствий долгосрочной эксплуатации добывающих скважин и различных технических систем, применяемых на северных нефтегазовых месторождениях М.Ю. Филимонов, Н.А. Ваганова ИММ им. Н.Н. Красовского УРО РАН ФГАОУ ВПО «УрФУ им. Первого Президента России Б.Н.Ельцина» 80 Геоинформационные системы для мониторинга антропогенного воздействия на биосферу арктической зоны Н. В. Малыгина, К. В. Маклаков ФГАОУ ВПО «УрФУ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина» ИЭРиЖ УРО РАН 88 5

ЮБИЛЕЙ

Генеральный директор Будниченко Михаил Анатольевич

Главное здание ОАО «ПО «Севмаш» в Северодвинске

С распадом Советского Союза Севмаш фактически остался единственным предприятием в России и на постсоветском пространстве, осуществляющем весь цикл строительства и испытаний подводных лодок с атомными энергетическими установками. Мощности предприятия и опыт трудового коллектива дают возможность реализовывать высокотехнологичные и наукоемкие проекты: от выпуска транспортно-упаковочных контейнеров для отработавшего ядерного топлива до создания современных атомных подводных лодок и морских инженерных сооружений. 6

Материал подготовлен к юбилею предприятия Севмаш*

ЮБИЛЕЙ

на основе открытых источников М.В. Арфаниди

* участник Технологической платформы «Освоение океана»

Необходимость создания судостроительного заво‑ да на Севере появилась в годы первой пятилетки, когда в 1926 году в стране была принята программа военного кораблестроения. В марте 1936 года правительственная комиссия прибыла в Архангельск для выбора площадки под строительство нового кораблестроительного завода. Строительство началось в этом же году в Никольском устье Северной Двины, и уже через год был построен поселок Судострой, который впоследствии вырос в город Северо‑ двинск. Официальной датой начала производственной деятель‑ ности считается 21 декабря 1939 года – день закладки на стапеле первого корабля, линкора «Советская Белорус‑ сия». Заводу был присвоен номер 402. В годы войны созданный для постройки крупных кора‑ блей – линкоров и крейсеров – завод приступил к строи‑

тельству больших морских охотников, эсминцев, дизельных подводных лодок, паромов, лихтеров, плавбаз и плавма‑ стерских, также обеспечивал боеспособность кораблей Северного флота и ремонт судов, доставлявших Северным морским путем грузы союзников. До 1945 года было отре‑ монтировано 139 кораблей и судов, осваивались и выпус‑ кались новые виды военной техники. В послевоенные годы завод № 402 оставался основной базой на севере страны по ремонту кораблей ВМФ. К сере‑ дине 1950‑х на северодвинской верфи сданы флоту 46 ко‑ раблей, в том числе 2 крейсера, и более 30 различных судов гражданского назначения (без учета достройки и капиталь‑ ного ремонта). В эти же годы завод приступил к постройке дизель-электрических подводных лодок проекта 611 и его модификаций. В рамках этого проекта создан первый оте‑ чественный подводный ракетоносец.

Поселок Судострой

Город Северодвинск сегодня 7

ЮБИЛЕЙ

Поколения атомных подводных лодок В декабре 2013 года на заводе отметили юбилей первой торпедной атомной подводной лодки проекта 627. 55 лет назад – в 1962 году – субмарина под названием «Ленин‑ ский комсомол» вступила в строй. Вскоре она стала первой в мире подводной лодкой, достигнувшей Северного по‑ люса. Всего было построено 13 АПЛ этого проекта, совер‑ шивших более 90 автономных плаваний. Планируется, что первая советская атомная подводная лодка, за создание ко‑ торой завод был удостоен своей первой государственной награды – Ордена Ленина – превратится в музей. Атомные субмарины второго поколения проекта 667 А создавались в ответ на строительство в США АПЛ типа «Джордж Вашингтон» с баллистическими ракетами на борту. За пять лет с 1967 по 1972 годы в строй введены 24 атомных ракетоносца, паритет с США по морской со‑ ставляющей ядерных сил был достигнут. В 1972–1974 го‑ дах в Северодвинске построено 10 АПЛ проекта 667 Б с 12 межконтинентальными баллистическими ракетами. Лодки проекта 667 БД имели на вооружении уже 16 ракет. В 1976 году в состав флота начали поступать подводные ракетоносцы проекта 667 БДР, а в 1984‑м 667 БДРМ, вооруженные 16 морскими ракетами с разделяющимися го‑ ловными частями. В 1969 году на Севмаше была построена первая в мире титановая атомная подводная лодка проекта 661. На испы‑ таниях она развила максимальную для подводных кораблей скорость подводного хода в 44,7 узлов. В середине 70‑х годов была проведена крупнейшая ре‑ конструкция предприятия. Для постройки АПЛ третьего

Первая атомная подводная лодка «Ленинский комсомол» проекта 627 поколения производственные мощности Севмаша были уд‑ воены. И первая атомная подводная лодка проекта 949, во‑ оруженная 24 противокорабельными крылатыми ракетами, была построена в 1980 году. Год спустя вошел в строй го‑ ловной подводный ракетоносец проекта 941 «Акула» (сей‑ час крейсер «Дмитрий Донской») с ракетным комплексом «Тайфун». Этот корабль занесен в Книгу рекордов Гиннесса, как самая большая атомная подлодка в мире. В 2000‑х годах он прошел модернизацию под испытания нового ракетно‑ го комплекса «Булава». В 1983 году Военно-морскому флоту передана опытная глубоководная титановая лодка проекта 685 с глубиной погружения до 1000 метров – самая глу‑ боководная боевая атомная подводная лодка в истории подводного кораблестроения. В третье поколение вошла и серия многоцелевых АПЛ проекта 971, построенная в 80–90‑х годах.

Тяжелый ракетный подводный крейсер стратегического назначения проекта 941 «Акула» 8

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

ЮБИЛЕЙ Церемония вывода атомного подводного крейсера «Владимир Мономах»

Современный этап и атомные подводные лодки четвертого поколения Разработка АПЛ четвертого поколения началась еще в 70‑х годах XX века, его представляют современные атом‑ ные подводные лодки проектов 885 «Ясень» и 955 «Борей». Проект 885 – это многоцелевые атомные подводные лод‑ ки с крылатыми ракетами. В 2014 году головной корабль проекта 885 – «Северодвинск» – вошел в состав Северно‑ го флота. Лодки «Казань», «Новосибирск» и «Красноярск» строятся по усовершенствованному проекту 885 М. АПЛ проекта 955 «Борей» имеют класс «ракетный подводный крейсер стратегического назначения». Три

субмарины проекта 955 уже введены в строй: головной корабль – «Юрий Долгорукий» – в состав Северного фло‑ та, АПЛ «Александр Невский» – в состав Тихоокеанского флота, АПЛ «Владимир Мономах» в июле 2014 года прош‑ ла государственные испытания и готова к передаче флоту. Идет строительство четвертой лодки серии «Борей» – АПЛ «Князь Владимир». 27 июля 2014 года на Севмаше состоялась торжественная церемония закладки сразу трех сов‑ ременных атомных подводных кораблей «Князь Олег» (проект 955 А), «Красноярск» (проект 885 М) и «Хаба‑ ровск». Проекты атомных подводных крейсеров разрабо‑ таны санкт-петербургскими проектными организациями «Рубин» и «Малахит».

АПЛ четвертого поколения «Юрий Долгорукий» проект 955

В.В. Путин на Севмаше No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ЮБИЛЕЙ

Кроме того, ведется подготовка тяжелого атомного ракет‑ ного крейсера «Адмирал Нахимов» к ремонту и модерниза‑ ции. На проведение этих работ Севмаш заключил контракт с Министерством обороны РФ в 2013 году. В рамках военно-технического сотрудничества в 2003– 2005 годах построены два дизель-электрические под‑ водные лодки проекта 636. По межправительственному соглашению России с Республикой Индия предприятие провело ремонт и модернизацию авианосца «Викрамади‑ тья». 16 ноября 2013 года авианосец был передан Военноморским силам Республики Индии. Севмаш также освоил производство высокотехноло‑ гичной гражданской продукции и, прежде всего, морских платформ для разработки нефтегазовых месторождений Арктики. Уникальная в своем классе морская ледостойкая стационарная платформа «Приразломная» в мае 2013 года передана в управление заказчику ОАО «Газпром». В апре‑ ле 2014 года по системе видеосвязи Президент России Владимир Путин дал старт отгрузке первой нефти с МЛСП на танкер. В 2007–2008 годах зарубежному заказчику пере‑ даны две морские полупогружные платформы. В сентябре 2013 года спущена на воду, а затем передана заказчику океанская мегаяхта проекта А1331. Высокая квалификация коллектива Севмаша подтвер‑ ждена государственными наградами, благодарностями Президента РФ, Почетной грамотой Председателя Прави‑ тельства РФ. Двадцати двум работникам верфи в разные годы присваивались звания Героев Советского Союза, Со‑ циалистического труда, Российской Федерации. Кроме производственных задач Севмаш уделяет боль‑ шое внимание социальной сфере. Вместе с предприятием юбилей отмечает и базовое училище ПУ № 1, обучающее специалистов в сфере судостроения. В этом году 200 уча‑ щихся приступили к освоению профессий сборщика судо‑ вого, токаря, фрезеровщика, сварщика и других рабочих специальностей. На предприятии эффективно развивается рациона‑ лизаторское направление, самыми активными которого являются конструкторы и технологи. За последний год

Авианосец «Викрамадитья»

Награды За большие заслуги в деле создания и произ‑ водства новой техники, успешное выполнение заданий и пятилетних планов предприятие на‑ граждено пятью орденами СССР. ОРДЕН ЛЕНИНА – в 1959 году – за создание первой в стране атомной подводной лодки «Ле‑ нинский комсомол» проекта 627 и заслуги завода в развитии отечественного судостроения. 10

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

ОРДЕН ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ – в 1963 году – за заслуги в деле создания и произ‑ водства новых типов ракетного вооружения, а также атомных подводных лодок и надводных кораблей, оснащенных этим оружием, и перевооружения ко‑ раблей Военно-Морского флота. ОРДЕН ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ – в 1971 году – за успешное выполнение 8‑й пяти‑ летки (1966–1970 гг.) и организацию производства новой техники.

ЮБИЛЕЙ ОРДЕН ЛЕНИНА – в 1976 году – за успешное выполнение заданий 9‑й пятилетки (1971–1975 гг.) по вы‑ пуску специальной техники, вводу новых производственных мощно‑ стей судостроительного комплекса, достижение высоких показателей в повышении эффективности про‑ изводства и улучшение качества работы.

ОРДЕН ЛЕНИНА – в 1984 году – за со‑ здание стратегических атомных подвод‑ ных лодок третьего поколения проекта 941 «Акула».

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ЮБИЛЕЙ Рабочие моменты, обучение новых специалистов рационализаторы сэкономили для Севмаша десятки мил‑ лионов рублей – было подано 129 заявлений на рациона‑ лизаторские предложения, из которых 45 использовано в производстве. Использование рацпредложений позволяет получить экономический и технический эффект, снизить себестои‑ мость выпускаемой продукции, повысить качество за счет более рационального использования сырья, материа‑ лов, топливно-энергетических ресурсов. Так, например, несколько месяцев назад специалистами корпусообраба‑ тывающего цеха было разработано и внедрено в произ‑ водство рационализаторское предложение по изменению конструкции корпуса спасательной всплывающей камеры для атомной подводной лодки. Совместная работа авто‑ ров‑технологов позволила сэкономить более 380 тысяч рублей. Рационализаторы предложили изменить размеры деталей для камеры, что позволило повысить коэффициент раскроя металлических листов. А это в свою очередь зна‑ чительно сэкономило количество дорогостоящего металла. Эта техническая «находка» получила одобрение не только на производстве, но и была высоко оценена проектантом – конструкторским бюро «Малахит». Руководство Севмаша принимает участие в организации мероприятий по развитию инфраструктуры моногорода Северодвинска. Это ремонт и строительство дорог, ре‑ 12

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Морская ледостойкая «Приразломная»

стационарная

платформа

конструкция моста через Никольское устье и расширение подъездных путей к нему, строительство моста в конце проспекта Морской, укрепление береговой линии острова Ягры и другие. Данные мероприятия работают на задачу, в том числе, и привлечения в город специалистов из других областей России. В канун 75‑летия на официальном сайте предприятия стартовал видеопроект «Вести Севмаша». Все яркие собы‑ тия из жизни крупнейшей верфи России можно теперь уви‑ деть в сети Интернет в формате видеоновостей. Уникальные кадры с производства и испытаний кораблей, актуальные интервью, истории о людях труда – все это в программе, которую специалисты корпоративных СМИ, пресс-службы и проектно-конструкторского бюро верфи планируют вы‑ пускать ежемесячно.

ЮБИЛЕЙ ИСТОЧНИКИ 1. 2. 3. 4. 5.

http://www.sevmash.ru/ – официальный сайт предприятия http://sevmash.livejournal.com/ – блог предприятия Севмаш в «Живом журнале» http://www.setcorp.ru/ – информационный портал «Судостроение. Энергетика. Транспорт» http://www.sudprom.ru/ – портал судостроительной промышленности РФ http://www.mashportal.ru/ – портал машиностроения

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ

ДЛЯ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ Эффективность применения подводных аппаратов различного назначения во многом определяется качеством их оснащения средствами для освещения подводной обстановки. Для этой цели в настоящее время используются как оптические, так и акустические средства. Оптические средства визуализации благодаря существенно более короткой длине волны обеспечивают наибольшее разрешение. Однако вследствие значительного поглощения света дальность действия оптических средств даже в чистой воде не превышает десятков метров, а в мутной воде, характерной для условий проведения подводно-технических работ, а также для большинства внутренних водоемов, она не превышает метра. В этом случае практически единственную возможность для освещения подводной обстановки предоставляют гидроакустические средства благодаря существенно меньшему затуханию звука в воде. АО «Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева»* Москва В.М. Лекомцев, Д.В. Титаренко *ОАО Концерн «Моринсис-Агат»

Очевидным требованием к гидроакустическим средствам визуализации, кроме большой дальности действия, является обеспечение высокой разрешающей способности при ограниченных весогабаритных характеристиках. Стремление одновременно уменьшить весогабаритные характеристики гидролокатора и повысить его разрешающую способность неизбежно приводит к необходимости увеличения рабочей частоты. Однако повышение рабочей частоты сдерживается ростом коэффициента поглощения звука и, соответственно, дальности действия гидролокатора [1]. Таким образом, существует прямая связь между дальностью действия гидролокатора и оптимальной рабочей частотой и, следовательно, размерами антенны и, соответственно, гидролокатора в целом. В таблице 1 приведены ориентировочные оценки оптимальной частоты и линейного размера антенны в зависимости от дальности действия для гидролокатора секторного обзора с числом разрешаемых элементов порядка 100 [2]. Таблица 1 Дальность действия, м

100

200

500

1000

Оптимальная частота, кГц

710

360

220

130

Длина антенны, м

0,21

0,42

0,68

1,15

2,24

3,75

Следует отметить, что с увеличением дальности действия гидролокатора, с одной стороны, увеличиваются размеры антенны и гидролокатора в целом, а с другой – ухудшается линейное разрешение на предельной дистанции. Так, даже при угловом разрешении 0,5° на дистанции 100 м линейное разрешение составит порядка 1 м, что, по-видимому, неприемлемо при поиске и распознавании малогабаритных объектов. Повышение линейного разрешения в этом случае возможно при приближении гидролокатора к подводному объекту с помощью телеуправляемых или автономных подводных аппаратов. В зависимости от решаемой задачи освещения подводной обстановки для установки на подводные аппараты могут быть востребованы все известные типы гидролокаторов: • многолучевые эхолоты (МЛЭ) – для картирования дна, поиска объектов на дне и в водной толще; • гидролокаторы бокового обзора (ГБО) – для поиска объектов на дне в широкой полосе обзора; а при использовании интерферометрического ГБО (ИГБО) – и для площадной съемки рельефа дна; • гидролокаторы секторного обзора (ГСО) – для обеспечения навигационной безопасности и поиска объектов по курсу движения подводного аппарата. Особой разновидностью гидролокаторов секторного обзора являются 2D- и 3D-звуковизоры, отличающиеся повышенной разрешающей способностью по углу (не хуже 1°) и по дистанции (порядка 1 см). Эти звуковизоры могут ис-

пользоваться для поиска, допоиска, обследования и распознавания подводных объектов по их акустическому изображению. АО «Акустический институт имени академика Н. Н. Андреева» имеет определенный опыт разработки всех перечисленных типов гидролокаторов. Однако все эти гидролокаторы, за исключением звуковизоров, имеют значительные весогабаритные характеристики и рассчитаны на консольное крепление к борту судна либо на буксировку с помощью кабель-троса. Для более легких телеуправляемых и автономных необитаемых подводных аппаратов необходима разработка новых гидроакустических средств основных типов: МЛЭ, ГБО, ИГБО и ГСО.

Многофункциональная гидроакустическая система Востребованность различных гидролокаторов для подводных аппаратов учитывалась при разработке многофункциональной гидроакустической системы (МФГС), предназначаемой для проведения промерных, навигационных и поисковых целей. Общий вид МФГС представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Многофункциональная гидроакустическая система В состав многофункциональной гидроакустической системы входят многолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, интерферометрический гидролокатор бокового обзора и впередсмотрящий гидролокатор секторного обзора. Все эти гидролокаторы размещаются на одном носителе, который может либо жестко крепиться к борту судна, либо буксироваться за кабель-трос. Для обеспечения возможности использования отдельных гидролокаторов, входящих в состав МФГС, на телеуправляемых или автономных подводных аппаратах были предприняты следующие меры: • антенны и электронные узлы каждого гидролокатора размещены в отдельных корпусах; • минимизированы весогабаритные характеристики каждого гидролокатора; • унифицированы электрический и программный интерфейсы. Каждый из гидролокаторов предусматривает обмен информацией по стандарту Ethernet. Для обеспечения обмена 15

Антенна МЛЭ Антенна ГБО

Антенна ГСО

Рис. 2. Антенны и сектора обзора многофункциональной гидроакустической системы информацией с каждым из гидролокаторов по одному кабелю используется серийный коммутатор локальной вычислительной сети, размещаемый в герметичном корпусе. Совмещение в одном буксируемом теле различных гидролокаторов с перекрывающимися секторами обзора позволяет производить площадную съемку дна с непрерывной полосой обзора, а также заблаговременно определять навигационные препятствия по курсу движения. На рисунке 2 схематично представлены расположения антенн и секторов обзора составных гидролокаторов многофункциональной гидроакустической системы. Приведем краткую характеристику отдельных гидролокаторов, входящих в состав многофункциональной гидроакустической системы.

Гидролокатор секторного обзора

ГСО предназначается для обеспечения навигационной безопасности буксируемого тела. Корпус гидролокатора выполнен в виде полусферы диаметром 190 мм. Для размещения антенны часть полусферы выбрана под цилиндрическую поверхность радиусом 100 мм. Антенна состоит из трех рядов пьезоэлементов (ПЭ), работающих в обратимом режиме. Каждый ряд содержит 21 ПЭ, размещаемый на дуге протяженностью 106°. Корпус гидролокатора секторного обзора закрепляется в носовой части буксируемого тела так, чтобы антенна была обращена в сторону его движения, а дуги с пьезоэлементами располагались в горизонтальной плоскости. 16

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Блок электроники размещается внутри полусферического корпуса гидролокатора бокового обзора и частично выступает за ее пределы. Для обеспечения герметичности блок электроники закрывается крышкой, выполненной в виде цилиндрического колпака. Высота колпака составляет 60 мм. На задней крышке колпака размещается герморазъем на 8 контактов. К герморазъему подключается кабель, содержащий 4 витые пары. Две пары используются для связи с внешним потребителем по стандарту Fast Таблица 2 Рабочая частота, кГц

100

Ширина сектора обзора, град.: – в горизонтальной плоскости – в вертикальной плоскости

60 30

Дальность действия, м

500

Угловое разрешение, град.

Разрешение по дистанции, см

Габариты, мм

190 х 190 х 180

Вес в воздухе/воде, кгс

5/2

Рабочая глубина, м

300

Ethernet, а две другие – для подачи питания от внешнего источника тока. По Ethernet-связи подводный модуль передает выборку сигналов со всех элементов приемной антенны. Оцифровка входных сигналов, а также их цифровая фильтрация, децимация и формирование передаваемых пакетов производятся под управлением программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), входящей в состав блока электроники. Кроме того, ПЛИС формирует излучаемые сигналы, сигнал управления коэффициентом усиления, осуществляет прием сигналов управления, передаваемых пользователем по Ethernet-связи. Эти сигналы управления позволяют варьировать параметры излучаемого сигнала (длительность, период посылки, полосу частот и форму), длительность выборки, сектора облучения. Основные технические характеристики гидролокатора секторного обзора представлены в таблице 2.

Многолучевой эхолот

МЛЭ выполнен в форме цилиндра диаметром 120 мм и высотой 170 мм. Излучающая антенна длиной 120 мм вмонтирована вдоль образующей цилиндрического корпуса. Приемная антенна имеет форму дуги и располагается на боковой поверхности одной из крышек корпуса. Для совмещения поверхности этой антенны с поверхностью обтекателя буксируемого тела радиус дуги антенны приравнивается радиусу буксируемого тела, составляющему 95 мм. В угловом измерении длина приемной антенны равна 74°. Блок электроники многолучевого эхолота выполняет те же функции, что и блок электроники гидролокатора секторного обзора: формирование излучаемых сигналов, усиление сигналов с элементов приемной антенны с регулируемым по времени коэффициентом усиления, оцифровку этих сигналов, цифровую фильтрацию, децимацию и пересылку пользователю по стандарту Gigabit Ethernet. Для подключения многолучевого эхолота к Ethernet-линии в основание его цилиндрического корпуса вмонтирован герморазъем на 10 контактов, 8 из которых используются для передачи сигналов, 2 – для питания. В состав блока электроники дополнительно включены датчики крена, дифферента и электронный компас. Основные технические характеристики многолучевого эхолота приведены в таблице 3.

Гидролокатор бокового обзора

ГБО включает в свой состав блок электроники, конструктивно выполненный в виде цилиндра диаметром 96 мм и высотой 270 мм, и две линейные антенны – по одной на каждый борт буксируемого тела. Подключение антенн к блоку электроники производится с помощью гибких кабелей и герморазъемов. Основные технические характеристики гидролокатора бокового обзора приведены в таблице 4.

Таблица 3 Рабочая частота, кГц

750

Дальность действия, м

Ширина сектора обзора, град.

Угловое разрешение, град.

Разрешение по дистанции, см

Габариты, мм

120 х 125 х 170

Вес в воздухе/воде, кгс

5/2

Рабочая глубина, м

300

Таблица 4 Рабочая частота, кГц

135

Дальность действия на один борт, м

500

Ширина сектора обзора, град.

Угловое разрешение, град.

0.6

Разрешение по дистанции, см

Длина антенны, мм

930

Габариты блока электроники, мм Вес в воздухе/воде, кгс

Интерферометрический обзора

ø90 х 250 2/1

гидролокатор

бокового

ИГБО формируется на основе одной из секций антенны гидролокатора бокового обзора и второй линейной антенны, параллельной антенне ГБО и разнесенной с ней в вертикальной плоскости приблизительно на 10 см. Длина второй антенны равна длине одной секции антенны ГБО – 430 мм. Расчетная дальность действия интерферометрического ГБО составляет 300 м, угловое разрешение равно 1°, точность воспроизведения рельефа дна – 0,5 м.

Звуковизоры Звуковизор по существу является гидролокатором с высоким пространственным разрешением (не менее 1° по углу и порядка сантиметра по дистанции), позволяющим выделить не только отметку в направлении объекта, но и его форму. Еще одно отличие касается требования формировать акустическое изображение в режиме реального времени. По этой причине к звуковизорам не следует причислять упоминавшиеся ранее гидролокаторы бокового No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

обзора и многолучевые эхолоты – эти устройства хотя и могут быть использованы для построения акустического изображения подводных объектов, но лишь при условии механического перемещения антенны и формирования акустического изображения по многим посылкам гидролокационного сигнала. По размерности сканируемого пространства звуковизоры могут быть дву- или трехмерными. Двумерный звуковизор, изготовленный в АКИН, представлен на рисунке 3, а его

основные параметры приведены в таблице 5. По своим характеристикам этот звуковизор сопоставим со звуковизором Р‑450 известной фирмы BlueView. На рисунке 4 представлены акустические изображения тестового куба с ребром 0,5 м, воспроизведенные с помощью звуковизоров АКИН и BlueView. Эти изображения подтверждают сопоставимость качества обоих изделий. Некоторые отличия в форме воспроизведенных изображений куба обусловлены расхождением ракурсов съемки. 2D-звуковизор принципиально не имеет разрешения в вертикальной плоскости, что не позволяет воспроизводить объемное изображение подводных объектов и в ряде случаев затрудняет их распознавание. Для более качественного решения задачи воспроизведения подводных объектов был изготовлен трехмерный звуковизор, основные характеристики которого приведены в таблице 6. В его основе лежат две линейные крест-накрест расположенные антенны, одна из которых является излучающей, а вторая – приемной. Эти антенны размещаются в основании цилиндрического корпуса, внутри которого находятся все электронные компоненты звуковизора. Благодаря использованию высокой рабочей частоты звуковизор имеет малые размеры, что позволяет установить его на телеуправляемых подводных аппаратах легкого класса. Вариант такого размещения на телеуправляемом аппарате «СуперГНОМ» представлен на рисунке 4. Использование двух линейных антенн по сравнению с полностью заполненной двумерной антенной существенно сокращает число элементов антенны и, соответственно, объем аппаратуры, однако приводит к необходимости последовательного обзора пространства. При этом в силу ограниченной скорости распространения звука время формирования трехмерного кадра на предельных дистанциях может увеличиваться до нескольких секунд, что существенно понижает производительность поиска подводных объектов. Для повышения производительности поиска в 3D-звуковизоре реализован режим двумерного сканирования. В этом режиме за счет выбора фазовых задержек сигнала, подключаемых к разным элементам излучающей антенны, формируется широкий в обоих направлениях луч, что позволяет за одну посылку зондирующего сигнала об-

Таблица 5

Таблица 6

Рис. 3. 2D-звуковизор. а) б)

Рис. 4. Воспроизведение акустического изображения куба: а) звуковизором АКИН; б) звуковизором BlueView

Рабочая частота, кГц

450

Рабочая частота, кГц

Дальность действия, м

100

Дальность действия, м

Ширина сектора обзора, град.

45 х 25

Разрешение по дистанции, см

2,5

Угловое разрешение, град.

0,7 х 0,7

Угловое разрешение, град. Габариты, мм

1 250 х 230 х 100

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Разрешение по дистанции, см Габариты, мм

1000 30

1 ø110 х 180

лучить весь сектор наблюдения и, соответственно, резко увеличить производительность поиска. Режим 3D-сканирования в этом случае включается при обнаружении какоголибо объекта с целью его достоверного распознавания.

Заключение Рассмотренные в статье гидролокаторы представляют все основные типы гидролокаторов: многолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, гидролокатор секторного обзора и его разновидности с повышенным пространственным разрешением – 2D- и 3D-звуковизоры. При разработке этих гидролокаторов применялись следующие общие принципы, способствующие их размещению на необитаемых подводных аппаратах: • минимизация размеров – размеры подводного модуля определяются размерами антенны, для минимизации которых по возможности используется наибольшая рабочая частота, ограниченная требованием обеспечения необходимой дальности действия; • унификация интерфейса между подводным модулем и надводным модулем – передача сигналов производится по стандарту Ethernet, что позволяет использовать унифицированные средства приема и обработки для всех типов гидролокаторов; • в качестве надводного модуля обработки и визуализации используется серийный защищенный ноутбук, что позволяет одновременно сократить стоимость и весогабаритные характеристики этого модуля. Минимизация весогабаритных размеров позволяет помещать разрабатываемые гидролокаторы на легких телеуправляемых аппаратах. Для размещения гидролокаторов на автономных подводных аппаратах потребуется изготовление дополнительного модуля, позволяющего записывать сигналы с элементов антенны в энергонезависимую память. Использование стандарта Ethernet для связи гидролокатора с этим дополнительным модулем позволит сделать его универсальным и применять с любым изделием, имеющим этот интерфейс.

Антенна ГСО

Рис. 4. 3D-звуковизор на телеуправляемом аппарате «СуперГНОМ»

В соответствии с программой работ по освоению нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе Российской Федерации ОАО НК «Роснефть» приступила к освоению лицензионных участков в Карском море в районе Новой земли. Учитывая, что эти участки расположены в зоне с неблагоприятными природно-климатическими условиями и сложной ледовой обстановкой, реализация проектов потребует детального изучения этих районов с постоянным мониторингом ледовой обстановки и последующей разработкой системы управления ледовой обстановкой. Значительная роль в этом отводится необитаемым телеуправляемым и автономным подводным аппаратам.

ЛИТЕРАТУРА 1. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики // Пер. с англ. – Л.: Судостроение, 1978. 2. Лекомцев В. М., Титаренко Д. В., Швед А. П. Цифровой звуковизор для реконструкции трехмерного изображения подводных объектов // Сборник трудов ХVIII сессии РАО. – М.: ГЕОС, 2006. – С. 82–85.

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

При разработке стационарных гидроакустических комплексов глубокого моря возникает задача выбора места установки антенн, в частности, приемных. На выбор точки постановки антенны влияет много разнородных факторов: профиль скорости звука, особенности рельефа дна и параметры грунта в акватории, а также конструктивные особенности антенны и удаленность точки от берегового поста. Изложен численный метод решения задачи выбора места установки приемных антенн, реализация которого проиллюстрирована двумя примерами. Выполнена сравнительная оценка возможных точек установки антенн на береговом шельфе для Авачинского залива на восточном побережье полуострова Камчатка и акватории порта Туапсе в северо-восточной части Черного моря.

ОАО «Камчатский гидрофизический институт»* Петропавловск-Камчатский В.О. Гравин

*ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ

ПРИЕМНЫХ АНТЕНН

В СТАЦИОНАРНЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ГЛУБОКОГО МОРЯ Основным критерием при выборе точки установки приемной антенны является максимизация отношения сигналпомеха. Идеальным решением задачи было бы проведение в районе предполагаемой установки экспериментальных исследований характеристик помехи и законов спадания звукового поля с расстоянием. В состав научной экспедиции в этом случае должны входить, как минимум, два судна, оснащенные необходимым научным оборудованием. Одно судно будет использоваться в качестве излучающего, второе – в качестве приемного. Суда также должны будут выполнить измерения профиля скорости звука в акватории. Однако проведение экспериментальных исследований является весьма затратным мероприятием. Кроме того, могут возникнуть проблемы с выбором научно-исследовательских судов, особенно приемного, которое должно обеспечивать при измерениях «режим тишины». В этих условиях становится особенно актуальным решение задачи расчетным путем.

Постановка задачи

Сравнительная оценка отношения сигнал-помеха для возможных мест установки антенны включает в себя соотнесение

величин полезного сигнала и помехи (шумов моря) в рассматриваемых точках постановки. Максимальное значение сигнала достигается при минимуме потерь на распространение (ПР), численные расчеты которых производятся для различных вариантов мест установки. Сравнительные исследования параметров шумов моря точек, расположенных на береговом шельфе, является отдельной задачей. Здесь ограничимся приближенной оценкой. Конструктивные особенности антенны определяют следующие требования к району ее установки: • наличие ровной площадки размерами 500 на 500 м; • угол наклона дна не должен превышать 10°; • грунт не должен быть скалистым; • глубина места не должна превышать 300 м. Таким образом, исследуемый участок дна ограничивается областью берегового шельфа от 100‑метровой изобаты до точки перехода шельфа в материковый склон. Существует два типа конструкции приемных антенн, характеризуемых разными способами решения задачи выбора места установки: 21

• антенна, устанавливаемая на произвольной глубине; • антенна, устанавливаемая вблизи дна. В первом случае для антенны производится сравнительная оценка точек ее возможной установки на всем исследуемом участке дна. Величина заглубления антенны выбирается вблизи оси залегания сформированного подводного звукового канала. Во втором случае сравниваются две крайние точки исследуемого участка дна: точка, расположенная вблизи излома рельефа дна при переходе шельфа в береговой склон, и точка, отодвинутая в шельф в район 100‑метровой изобаты. Для антенны, устанавливаемой в промежуточных точках, величина ПР будет находиться в интервале между величинами ПР для антенн, устанавливаемых в граничных точках.

Особенности акватории Авачинского залива Шельф в районе Авачинского залива характеризуется углом наклона ~0,5°-0,6°, а угол материкового склона в этом районе составляет ~14,3° (рис. 1). Расстояние от 100‑метровой изобаты до точки перехода шельфа в материковый склон (200‑метровая изобата) составляет 11,4 км. Грунты верхнего осадочного слоя в области шельфа и части материкового склона с глубиной дна до 1 км с акустической точки зрения можно отнести по типу к средним пескам. Придонные грунты глубоководной части материкового склона с глубиной дна до 2 км представляют собой алевритовый песок, а грунты дна океанического ложа – алевритово‑глинистый ил. Поле скорости звука в Авачинском заливе формируется под влиянием прибрежных стоковых вод, а также холодно-

Глубина, м

-400 -800 -1200 -1600 -2000 0

30 Дистанция, км

Рис. 1. Участок шельфа и материкового склона в Авачинском заливе 22

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

1,45

Скорость звука, км/с 1,46 1,47 1,48

Скорость звука, км/с 1,45 1,455 1,46 1,465 1,47

1,49

0 Зимняя гидрология Летняя гидрология

-0,2

-0,1

Глубина, км

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,4 Прибрежные воды Камчатское течение

-0,5

го Восточно-Камчатского течения. Акватория Тихого океана, прилегающая к восточному побережью полуострова Камчатка, имеет заметную пространственную изменчивость океанологических характеристик. К зимнему гидрологическому сезону относятся месяцы с января по апрель, к весеннему – май и июнь, к летнему – период с июля по сентябрь, к осеннему – с октября по декабрь. На рисунке 2 представлены профили изменения скорости звука для летних и зимних гидрологических условий. Зеленым цветом обозначены профили, соответствующие прибрежной акватории, подверженной влиянию стоковых вод. Синим цветом выделены кривые профилей, соответствующих акватории, подверженной влиянию Камчатского течения. Кривые профилей, соответствующих открытой глубоководной части Тихого океана, расположенной на расстоянии 300–400 км от берега, выделены красным цветом. Летние гидрологические условия характеризуются ярко выраженным подводным звуковым каналом, а зимние – по-

Удаленный от берега участок

Рис. 2. Профили изменения скорости звука с глубиной в акватории Авачинского залива для летних и зимних гидрологических условий

ложительной pефpакцией звуковых лучей. Осенний и весенний гидрологические сезоны в гидролого-акустическом отношении являются переходными между летними и зимними условиями. Для определения коэффициента пространственного затухания в Прикамчатской акватории Тихого океана при расчетах используется эмпирическая формула Вадова, являющаяся обобщением для низкочастотного звука [1]: β = 0,00165 + 0,0263 ∙ f1,45, дБ/км (при частоте f в кГц) (1)

Особенности акватории, прилегающей к порту Туапсе Восточная часть Черного моря с акустической точки зрения относится к глубокому морю со слабо протяженным береговым клином. В звуковом диапазоне частот отражающие свойства дна Черного моря в глубоководной части зависят от расчлененности рельефа дна, а в мелко-

Глубина, м

-400 -800 -1200 -1600 -2000 0

30 Дистанция, км

Рис. 3. Участок шельфа и берегового склона в районе порта Туапсе No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

1,46

Скорость звука, км/с 1,48 1,5

Скорость звука, км/с 1,455 1,46 1,465 1,47 1,475

1,52

1,48

1,464

Скорость звука, км/с 1,468 1,472 1,476

0 Зимняя гидрология

-0,1

-0,2

Глубина, км

-0,1

Глубина, км

Летняя гидрология

-0,3

-0,4

-0,5

Переходная гидрология типа «зигзаг»

Рис. 4. Профили изменения скорости звука с глубиной в восточной части Черного моря для летних, зимних и переходных типа «зигзаг» гидрологических условий 24

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Расчет ПР для конструкции приемной антенны, устанавливаемой на произвольной глубине. Авачинский залив Расчеты потерь на распространение сигнала были выполнены при следующих исходных данных. Ненаправленный источник звука находился в глубоком море на расстоянии

Потери на распространение, дБ

-85

-90

-95

-100

Летняя гидрология Ненаправленный приемник на глубине 86 м  источник на глубине 200 м  источник на глубине 100 м  источник на глубине 50 м

-105 380

390 400 Дистанция, км

410

Рис. 5. Авачинский залив. Потери на распространение, летняя гидрология, глубина приемника 86 м -92 Потери на распространение, дБ

водной (на шельфе и береговом склоне) – от типа грунта дна. Дно всей глубоководной акватории моря (глубины более 1000 м) характеризуется слабым расчленением рельефа. Придонные грунты в области шельфа в диапазоне глубин от 50–100 м до 200 м представляют собой песчанистый ил, а грунты дна берегового склона (глубины от 200 м до 1200 м) – ил и глину. Вблизи порта Туапсе шельф имеет угол наклона ~0,4°– 1,8°, а угол берегового склона составляет ~5,3°–6,7° (рис. 3). Расстояние от 100‑метровой изобаты до точки перехода шельфа в материковый склон (200‑метровая изобата) составляет 4,4 км. Сезонная изменчивость вертикального профиля скорости звука в восточной части Черного моря происходит до глубин 200–300 м. В глубинных слоях Черного моря, где не наблюдается сезонной изменчивости зависимости профиля, скорость звука возрастает с глубиной с постоянным положительным градиентом. Летние гидрологические условия характеризуются наличием сформированного подводного звукового канала. По этому признаку к летнему гидрологическому сезону в рассматриваемой акватории относятся месяцы с апреля по октябрь. При этом июль соответствует летнему типу гидрологии в наибольшей степени. В восточной части Черного моря к зимним гидрологическим условиям, приводящим к положительной pефpакции звуковых лучей, можно отнести месяцы февраль и март, причем март соответствует зимнему типу гидрологии в большей степени. Для восточной части Черного моря характерен переходный тип гидрологии, вертикальный профиль скорости звука которого имеет два экстремума (тип гидрологии «зигзаг»). К данному типу гидрологии относятся месяцы с ноября по январь; в наибольшей степени ему соответствует январь. На рисунке 4 представлены профили изменения скорости звука с глубиной. Зеленым цветом обозначены профили, соответствующие прибрежной акватории. Синим цветом выделены кривые профилей, соответствующих удалению от берега на ~80 км. Кривые профилей, соответствующих удалению от берега на ~150 км и дальше, выделены красным цветом. Для расчета коэффициента пространственного затухания в Черном море на частотах 0,2–10 кГц используется эмпирическое соотношение [2]: β = 0,035 ∙ f1,25, дБ/км (2)

-96

-100 -104

Зимняя гидрология Ненаправленный приемник на глубине 86 м  источник на глубине 200 м  источник на глубине 100 м  источник на глубине 50 м

-108 380

390 400 Дистанция, км

410

Рис. 6. Авачинский залив. Потери на распространение, зимняя гидрология, глубина приемника 86 м ~400 км от точки перехода шельфа в материковый склон. Приемник, моделирующий приемную антенну, был установлен на глубине 86 м, расположенной вблизи оси залегания сформированного подводного звукового канала. Расчеты ПР были выполнены для приемника, установленного в районе шельфа и материкового склона на удалении от источника звука на расстояние от 380 км до 410 км с шагом в 50 м. Вычисления производились для источника звука с частотой 330 Гц, расположенного на глубинах 50 м, 100 м и 200 м в летних и зимних гидрологических условиях. Расчеты ПР были выполнены для двух вариантов характеристики направленности приемника в вертикальной плоскости: • для ненаправленного гидрофона; • для линейной эквидистантной решетки с восемью элементами, расстояние между которыми равнялось 1,2 м. Отметим, что здесь и далее при вычислениях ПР использовалась лучевая двумерно неоднородная программа расчета распространения звука. Средняя высота волн всегда принималась равной 1 м в зимние месяцы и 0,63 м в летние. No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Потери на распространение, дБ

-80 -84 -88 -92 -96 260

Летняя гидрология Ненаправленный приемник на глубине 97 м  источник на глубине 200 м  источник на глубине 100 м  источник на глубине 50 м

264

268 272 Дистанция, км

276

280

Потери на распространение, дБ

Рис. 7. Акватория Туапсе. Потери на распространение, летняя гидрология, глубина приемника 97 м

-88 -90 -92 -94 -96 260

Зимняя гидрология Ненаправленный приемник на глубине 97 м  источник на глубине 200 м  источник на глубине 100 м  источник на глубине 50 м

264

268 272 Дистанция, км

276

280

Рис. 8. Акватория Туапсе. Потери на распространение, зимняя гидрология, глубина приемника 97 м

Потери на распространение, дБ

-84 -86 -88 -90 -92 260

Переходная гидрология типа «зигзаг» Ненаправленный приемник на глубине 97 м  источник на глубине 200 м  источник на глубине 100 м  источник на глубине 50 м

264

268 272 Дистанция, км

276

280

Рис. 9. Акватория Туапсе. Потери на распространение, гидрология типа «зигзаг», глубина приемника 97 м 26

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Результаты расчетов потерь на распространение для двух вариантов характеристики направленности приемника отличаются друг от друга на малую величину, совпадающую с погрешностью вычислений, оцениваемой в 1 дБ. Результаты расчетов ПР для ненаправленного гидрофона представлены на рисунках 5 и 6. На участке трассы от 380 км до 400 км в условиях летней и зимней гидрологии показатели ПР практически неизменны – совпадают с точностью до 1 дБ. Различия проявляются на участке трассы от 400 км до 410 км. При летних гидрологических условиях максимальные отличия (12 дБ) достигаются для случая нахождения источника звука на глубине 50 м. При заглублении источника звука на 200 м отличия в ПР достигают 8 дБ. При расположении источника звука на глубине 100 м отличий в ПР, с точностью до погрешности вычислений, не наблюдается. При зимних гидрологических условиях максимальные отличия в ПР (16 дБ) достигаются для случая нахождения источника звука на глубине 200 м. При расположении источника звука на глубинах 50 м и 100 м отличия составляют соответственно 2 дБ и 5 дБ. Различия в величинах ПР для различных глубин источника звука на расстоянии от источника ~400 км (место точки излома рельефа дна – переход материкового склона в шельф) в летних и зимних гидрологических условиях составляют соответственно 7 дБ и 3 дБ. Для дистанции от источника ~410 км (район шельфа с глубиной ~100 м) эти отличия составляют уже 22 дБ и 17 дБ. Проведенные расчеты показали, что в Авачинском заливе в точке на шельфе с глубиной места ~200 м в районе перехода шельфа в материковый склон достигается минимум величины ПР. Кроме того, в этой точке обеспечивается лучшая равномерность величины ПР в зависимости от глубины источника звука.

Расчет ПР для конструкции приемной антенны, устанавливаемой на произвольной глубине. Акватория, прилегающая к порту Туапсе Ненаправленный источник звука находился в глубоком море на расстоянии ~275 км от точки перехода шельфа в береговой склон. Приемник был установлен вблизи оси подводного звукового канала на глубине 97 м. Расчеты произведены для источника звука с частотой 330 Гц, расположенного на глубинах 50 м, 100 м и 200 м, для летней, зимней и переходной (типа «зигзаг») гидрологии. Потери на распространение были рассчитаны для приемника удаленного от источника звука на расстояние от 260 км до 280 км с шагом в 50 м. Расчеты потерь на распространение были выполнены также для двух вариантов характеристики направленности приемника в вертикальной плоскости, и, поскольку результаты расчетов в обоих случаях практически не отличаются друг от друга (с точностью до погрешности вы-

Модуль ПР для вариантов «И» и «Ш» размещения антенны в Авачинском заливе Глубина источника, м

Частота, Гц 330

50 750

330 100 750

330 200 750

Г/л сезон

Таблица 1

Выигрыш (проигрыш) точки И относительно Ш

Точка «И»

Точка «Ш»

лето

94,6 дБ

111,5 дБ

+ 16,9 дБ

зима

101,5 дБ

92,1 дБ

– 9,4 дБ

лето

100,6 дБ

123,6 дБ

+ 23,0 дБ

зима

119,8 дБ

113,6 дБ

– 6,2 дБ

лето

99,1 дБ

87,1 дБ

– 12,0 дБ

зима

100,2 дБ

99,7 дБ

– 0,5 дБ

лето

105,6 дБ

92,4 дБ

– 13,2 дБ

зима

118,9 дБ

138,0 дБ

+ 19,1 дБ

лето

93,1 дБ

96,6 дБ

+ 3,5 дБ

зима

95,0 дБ

112,4 дБ

+ 17,4 дБ

лето

98,7 дБ

103,9 дБ

+ 5,2 дБ

зима

112,8 дБ

137,4 дБ

+ 24,6 дБ

Таблица 2 числений), достаточно привести результаты для одного из вариантов. Результаты расчетов ПР для ненаправленного гидрофона представлены на рисунках 7, 8 и 9. На участке трассы от 260 км до 274 км в условиях летней, зимней и переходной типа «зигзаг» гидрологии показатели потерь на распространение практически неизменны – совпадают с точностью до 1 дБ. Различия в ПР проявляются на участке трассы от 275 км до 280 км. При летних гидрологических условиях максимальные отличия в ПР (11 дБ) достигаются для случая нахождения источника звука на глубине 200 м. При заглублении источника звука на 100 м отличия в ПР достигают 5 дБ. При расположении источника звука на глубине 50 м отличий в ПР, с точностью до 1 дБ, не наблюдается. При зимних гидрологических условиях максимальные отличия в ПР (5 дБ) достигаются для случая нахождения источника звука на глубине 200 м. При расположении источника звука на глубине 100 м отличия составляют 2 дБ. При заглублении источника звука на 50 м отличий, с точностью до погрешности вычислений, не наблюдается. При переходном типе гидрологических условий «зигзаг» максимальные отличия в ПР (5 дБ) достигаются для случая нахождения источника звука также на глубине 200 м. При расположении источника звука на глубинах 50 м и 100 м отличия составляют 3 дБ. Причем, в отличие от зимних и летних гидрологических условий, потери на распространение оказываются меньше для источника, установленного на глубине 100 м, относительно источника, установленного на глубине 50 м.

Вариант установки антенны

Гидрологический сезон

лето «И» зима

лето «Ш» зима

Частота, Гц

Разброс потерь на распространение, дБ

330

6,0

750

6,9

330

6,5

750

7,0

330

24,4

750

31,2

330

20,3

750

24,4

Различия в величинах ПР для различных глубин источника звука на расстоянии от источника ~276 км (место точки излома рельефа дна – переход берегового склона в шельф) в летних, зимних и переходных (типа «зигзаг») гидрологических условиях составляют соответственно 8 дБ, 4 дБ и 4 дБ. Для дистанции от источника ~280 км (район шельфа с глубиной ~100 м) эти отличия составляют уже 17 дБ, 8 дБ и 7 дБ. Проведенные расчеты показали, что в акватории, прилегающей к порту Туапсе, в точке на шельфе с глубиной места ~200 м в районе перехода шельфа в береговой склон достигается минимум величины ПР. Кроме того, No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Модуль ПР для вариантов «И» и «Ш» размещения антенны в акватории Туапсе Глубина источника, м

Частота, Гц

330 50 750

330 100 750

330 200 750

Таблица 3

Выигрыш (проигрыш) точки И относительно Ш

Г/л сезон

Точка «И»

Точка «Ш»

лето

89,6 дБ

79,7 дБ

– 9,9 дБ

зима

92,0 дБ

87,6 дБ

– 4,4 дБ

«зигзаг»

85,3 дБ

88,0 дБ

+ 2,7 дБ

лето

95,1 дБ

84,3 дБ

– 10,8 дБ

зима

108,9 дБ

97,2 дБ

– 11,7 дБ

«зигзаг»

90,6 дБ

94,2 дБ

+ 3,6 дБ

лето

86,4 дБ

85,6 дБ

– 0,8 дБ

зима

87,8 дБ

90,2 дБ

+ 2,4 дБ

«зигзаг»

89,4 дБ

85,6 дБ

– 3,8 дБ

лето

91,7 дБ

91,4 дБ

– 0,3 дБ

зима

104,1 дБ

107,6 дБ

+ 3,5 дБ

«зигзаг»

95,9 дБ

90,8 дБ

– 5,1 дБ

лето

86,5 дБ

93,9 дБ

+ 7,4 дБ

зима

90,4 дБ

94,5 дБ

+ 4,1 дБ

«зигзаг»

86, 9 дБ

92,2 дБ

+ 5,3 дБ

лето

92,6 дБ

104,0 дБ

+ 11,4 дБ

зима

108,2 дБ

114,7 дБ

+ 6,5 дБ

«зигзаг»

95,4 дБ

101,7 дБ

+ 6,3 дБ

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

в этой точке обеспечивается лучшая равномерность ПР в зависимости от глубины источника звука.

Расчет ПР для конструкции приемной антенны, устанавливаемой вблизи дна. Авачинский залив Были выполнены следующие сравнительные расчеты потерь на распространение для двух точек предполагаемой установки приемной антенны: вариант «И» и вариант «Ш». Точка «И» располагалась на шельфе вблизи излома рельефа дна – перехода шельфа в материковый склон. Глубина установки приемника равнялась 180 м, глубина места составила 195 м. Точка «Ш» располагалась на шельфе с глубиной места 100 м; глубина установки – 86 м. Расстояние между точками «И» и «Ш» составило 10,3 км. Характеристика направленности приемника в вертикальной плоскости соответствовала линейной восьмиэлементной эквидистантной решетке с шагом 1,2 м. Расчеты производились для источника звука расположенного на глубинах 50 м, 100 м и 200 м в летних и зимних гидрологических условиях для частот 330 Гц и 750 Гц. Источник был удален от приемника на расстояние ~400 км. Результаты расчетов представлены в таблице 1. Зеленым цветом выделены ситуации выигрыша варианта «И» относительно варианта «Ш». Красным цветом выделены обратные ситуации: проигрыша варианта «И» относительно варианта «Ш». Черным цветом выделены ситуации, когда потери на распространение звука для вариантов «И» и «Ш» практически совпадают (с точностью до 1 дБ). В таблице 2 приведены величины разброса ПР для различных глубин источника для двух рассмотренных вариантов установки антенны. Зеленым цветом выделены выигрышные ситуации (разброс ПР меньше зависит от глубины источника), а красным – проигрышные. Анализ данных, приведенных в таблицах 1 и 2, показывает, что вариант размещения приемной антенны в Авачинском заливе в точке «И» является предпочтительным с точки зрения достижения минимума потерь на распространение звука и обеспечения их равномерности в зависимости от глубины источника звука.

Расчет ПР для конструкции приемной антенны, устанавливаемой вблизи дна. Акватория, прилегающая к порту Туапсе Точка «И» располагалась на шельфе вблизи излома рельефа дна – перехода шельфа в материковый склон. Глубина установки приемника равнялась 185 м, глубина места составила 200 м. Точка «Ш» располагалась на шельфе с глубиной места 112 м; глубина установки приемника – 97 м. Расстояние между точками «И» и «Ш» составило 2,8 км. Характеристика направленности приемника в вертикальной плоскости соответствовала расчетам для Авачинского залива.

Расчеты производились для источника звука расположенного на глубинах 50 м, 100 м и 200 м в летних, зимних и переходных (типа «зигзаг») гидрологических условиях для частот 330 Гц и 750 Гц. Источник был удален от приемника на расстояние ~280 км. Результаты расчетов представлены в таблице 3. А в таблице 4 приведены величины разброса потерь на распространение звука для различных глубин источника для рассмотренных вариантов установки антенны. Цветовые выделения в таблицах 3 и 4 соответствуют использованным в таблицах 1 и 2. Анализ данных, приведенных в таблицах 3 и 4, показывает, что размещение в акватории порта Туапсе приемной антенны в точке «И» является также предпочтительным.

Оценка формы пространственного спектра помехи в условиях берегового клина В статье [3] выполнены численные расчеты влияния берегового клина на анизотропию поля поверхностных шумов моря в вертикальной и горизонтальных плоскостях для гидрологических условий восточного побережья полуострова Камчатка и восточной части Черного моря при различных параметрах грунта. В частности показано, что эффект влияния берегового клина на угловой спектр шумов моря выражен сильнее для песчаного грунта нежели для илистого грунта. Произведена сравнительная оценка характеристик анизотропии шумового поля в вертикальной плоскости, перпендикулярной изобатам, для четырех точек прибрежной акватории Черного моря в летних гидрологических Таблица 4 Вариант установки антенны

Гидрологический сезон

лето

«И»

зима

«зигзаг»

лето

«Ш»

зима

«зигзаг»

Частота, Гц

Разброс потерь на распространение, дБ

330

3,2

750

3,4

330

4,2

750

4,8

330

4,1

750

5,3

330

14,2

750

19,7

330

6,9

750

17,5

330

6,6

750

10,9

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

условиях. Точка А находится на расстоянии 14 км от берега и соответствует приему на мелководье, вблизи перехода шельфа в береговой склон. Глубина места равна 210 м, глубина приема – 100 м. Точка Б соответствует приему на той же глубине 100 м, что и точка А, но удалена от береговой линии на 180 км, а глубина места составляет 2,1 км. Точки В и Г соответствуют приему вблизи дна (глубина приема равна 1,95 км). Точка В расположена на расстоянии 55 км от берега, вблизи материкового склона в районе перехода склона глубоководную часть моря. Глубина места в точке В составляет 2,0 км. Точка Г расположена вдали от берега, но на том же расстоянии от него, что и точка Б (180 км). Глубина места в точках Б и Г равна 2,1 км. Расчеты были произведены для песчаного грунта. Угловой спектр шумов в вертикальной плоскости для точек А и В, в целом, отличается незначительно, несмотря на отстояние точек друг от друга на дистанцию 41 км и различные условия приема (шельф и глубокое море вблизи склона). Отличия в спектре величиной до 3 дБ наблюдаются при углах скольжения ~ ±10° со стороны берега. Уровень шумов со стороны моря в точках А и В отличается на величину до 6 дБ на границах «рефракционного минимума» (при углах скольжения в диапазонах от -30° до -20° и от 20° до 30°). Экстраполируем приведенную оценку на рассматриваемый случай. Учтем, что максимальное расстояние между возможными точками установки антенны для обеих рассматриваемых акваторий составляет 11,5 км, район постановки ограничен только шельфовой зоной, и глубина приема меняется мало. Учтем также, что дно берегового склона в районе порта Туапсе сложено из илистых грунтов, а береговой склон Авачинского залива кроме среднего песка, включает в себя алевритовый песок. Примем во внимание и схожесть гидрологических условий в обоих районах.

С учетом всех перечисленных условий получаем оценку сверху в 2 дБ для максимального отличия в угловом спектре шумов в вертикальной плоскости возможных точек установки антенн для летней гидрологии. Соответственно интегральный уровень помехи в возможных местах установки антенн будет отличаться не более чем на 1 дБ. Распространим сделанную оценку также и на зимние и переходные гидрологические условия. Суммируя все вышеизложенное можно сделать вывод, что наилучшим местом для постановки приемной антенны любой из двух рассмотренных конструкций в любой из двух рассмотренных акваторий является точка на шельфе вблизи перехода шельфа в материковый склон (точка «И»). Для конструкции антенны, устанавливаемой на произвольной глубине, точка «И» выигрывает у других мест возможной установки по критерию отношения сигнал–помеха при всех гидрологических условиях и глубинах цели. В рассмотренном примере шельфа Авачинского залива относительный выигрыш точки «И» может достигать 16 дБ. Для акватории вблизи порта Туапсе выигрыш точки «И» относительно других возможных может достигать 13 дБ. При этом в точке «И» обеспечивается лучшая равномерность ПР в зависимости от глубины цели (для частоты 330 Гц): • для акватории Авачинского залива – до 14 дБ; • для акватории вблизи порта Туапсе – до 8 дБ. Для конструкции антенны, устанавливаемой вблизи дна, точка «И» выигрывает по критерию отношения сигналпомеха в большинстве вариантов гидрологических условий и глубине цели. При этом в точке «И» обеспечивается лучшая равномерность ПР в зависимости от глубины цели: • для акватории Авачинского залива – до 17 дБ (330 Гц) и до 24 дБ (750 Гц); • для акватории вблизи порта Туапсе – до 9 дБ (330 Гц) и до 15 дБ (750 Гц).

ЛИТЕРАТУРА 1. Вадов Р. А. Затухание низкочастотного звука в океане. В сб.: Проблемы акустики океана. – М.: Наука, 1984. 2. Вадов Р. А. Энергетические характеристики звуковых полей в Черном море // Акустический журнал. – 1998. – том 44. – № 3. – С. 318–325. 3. Комиссарова Н. Н. Анизотропия поля поверхностных источников шума в прибрежной области с произвольной формой дна и профиля скорости звука // Акустический журнал. – 2003. – том 49. – № 4. – С. 519–528.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

ВЫСОКОТОЧНЫЙ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Методы геомагнитной съемки, ранее разработанные в институтах Академии наук для изучения тонкой структуры аномального магнитного поля Земли, могут быть успешно применены для решения ряда прикладных задач в области морской деятельности. Одной из таких задач является 3D-контроль пространственного положения трубопроводов в зоне ледовой экзарации или ледникового выпахивания – экзогенного геологического процесса разрушения дна мелководных участков подводной частью айсбергов и подобных им ледовых образований. Если в зоне ледовой экзарации находятся техногенные объекты, например, трубопроводы, – под действием ледовых масс они могут смещаться, а при смещениях больших, чем 10–15 см, лопаться, что может привести к катастрофическим последствиям. Следовательно, нужен регулярный мониторинг положения подводных трубопроводов, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости с точностью 1–2 см. Одним из таких объектов являются магистральные газопроводы высокого давления, проложенные по дну Байдарацкой губы Карского моря. Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН*, Москва А. Н. Иваненко

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»* Москва А. Г. Горшков А. Ф. Бункин * участники Технологической платформы «Освоение океана»

По дну Байдарацкой губы проложены и запланированы к прокладке подводные газопроводы, связывающие крупнейшие газовые месторождения Ямала, – прежде всего, Бованенковское, Харасавэйское и Южно-Тамбейское – с Европейской частью России (рис. 1–2). Пять веток должны связать компрессорные станции Байдарацкая и Ярынская сквозь центральную часть губы; еще одна ветка пойдет гораздо севернее, на выходе из губы, между Бованенковским месторождением и компрессорной станцией Усть-Кара, возле одноименного поселка. Логичным и обоснованным выглядит предложение осуществлять регулярный контроль положения оси трубы магнитологическими методами, рассматривая стальную трубу как источник магнитной аномалии (диполь). Имеющееся матобеспечение включает в себя пакет прикладных программ обработки магнитной съемки, позволяющий по ее результатам определить пространственные координаты (включая глубину) оси аномалообразующего объекта (в нашем случае, трубы). Для определения положения оси аномалии с некоторой точностью X необходимо произвести магнитную съемку с той же детальностью, то есть для определения оси аномалии с точностью в 1 см необходимо производить съемку по профилям через 1 см с точностью определения координат также в 1 см (теорема Котельникова). Для определения координат используется GPS Navstar со станциями дифпоправок, позволяющая получить координаты положения магнитометра с требуемой детальностью. С точностью магнитной съемки ситуация выглядит сложнее. Оценки показывают, что для съемки с дискретностью 1 см при скорости движения судна 5 узлов (на меньших скоростях судно практически неуправляемо и не может ходить нужными галсами) необходима работа магнитометра с частотой порядка 100 Гц. Такую частоту может обеспечить только феррозонд. Для сравнения: характерная частота работы протонных магнитометров, включая оверхаузеровские – 1–2 Гц; заявленная частота в 10 Гц магнитометров Seaspy по мнению специалистов, реально работавших с ними, не достигается, но даже она на порядок ниже необходимой.

Рис. 1. Байдарацкая губа – один из крупнейших заливов Карского моря, в его юго-западной части, между Югорским полуостровом и полуостровом Ямал. Длина губы около 180 км, ширина у входа – 78 км, глубина – до 20 м. Температура воды на поверхности летом 5–6 °C. С октября по июнь почти полностью покрыта льдом. Подвижки льда в центральной части губы могут происходить только при сильных ветрах и в приливы (амплитуда последних составляет 0,5–1,0 м). Шторма в открытой части Карского моря могут поднять волну в Байдарацкой губе и взломать лед в ее северной и центральных частях. Граница устойчивого стояния льдов изменяется ежегодно. Бóльшая часть побережья губы необитаема. Единственные населенные пункты – Усть-Кара, УстьЮрибей, Яры и Моррасале. Вблизи юго-восточной и восточной оконечности губы, на расстоянии от 20 до 90 км, проходит железная дорога (до конечной станции Хралов), а далее – постоянно действующий автомобильный зимник.

Рис. 2. Укладка подводного трубопровода в акватории Байдарацкой губы 33

Для практической реализации указанной задачи предполагается использовать высокоточный феррозондовый многоканальный магнитометр с частотой измерения до 1000 Гц, позволяющий выделить из суммарного магнитного поля Земли, измеряемого магнитометром, аномальное магнитное поле, а также изучить его тонкую структуру с определением параметров интересующей аномалии. Магнитометр разработан в Институте общей физики РАН и ИРЭ РАН, имеет динамический диапазон 180 дБ и позволяет проводить измерения от 1 мТл до 1 пТл, то есть практически на уровне квантовых шумов. В качестве датчиков магнитного поля используются эпитаксиально напыленные на диэлектрик пленки из железоиттриевого граната. На рисунке 3 представлен общий вид магнитометра и типичный спектр его шумов. Совместное использование данного магнитометра и изложенных ниже алгоритмов обнаружения крупных объектов в водоеме по аномалиям измеряемого магнитного поля позволяют оптимистически оценивать перспективу детального измерения положения газовой трубы на дне Байдарацкой губы. В качестве адекватной модели для трубопровода как источника магнитной аномалии можно выбрать 2D диполь, положение которого совпадает с центром поперечного сечения трубы. В магнитостатике 2D диполь соответствует горизонтально залегающему бесконечному цилиндру; создаваемая таким телом магнитная аномалия зависит только от положения самого диполя, его магнитных свойств и характеристик внешнего магнитного поля Земли (МПЗ). Магнитное поле трубопровода можно аппроксимировать разностью двух, одинаково намагниченных цилиндров, радиусы которых отличаются на толщину стенки трубы. Таким образом, аномалия от такого объекта будет соответствовать разности аномалий от двух геометрически совмещенных диполей, которые отличаются величиной модуля магнитного момента. В первом приближении, (когда аномалия от источника не превышает нескольких процентов от величины модуля МПЗ в районе измерений, вплоть до нескольких тысяч нТл), магнитный момент источника аномалии по внешнему полю может быть определен однозначно. Следовательно, проведя с нужной детальностью и точностью измерения магнитной аномалии поперек трубопровода, можно определить координаты центра трубы, а зная ее радиус и толщину стенок – величину намагниченности материала, из которого она изготовлена, что влияет на степень изношенности стенок и содержание окислов железа. Рассмотрим вопросы практической реализации предлагаемого подхода, обращая внимание на благоприятные и осложняющие факторы, характерные для данной задачи. К первым, безусловно, следует отнести очень высокую магнитную контрастность исследуемого объекта по отношению к окружающей среде и его относительно небольшую глубину залегания. Многолетний опыт проведения инженерно-геологических изысканий на прибреж34

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

ных акваториях указывает на то, что даже сравнительно небольшие по размерам металлические объекты типа оторванных якорей, бомб и снарядов, металлических тросов при относительно мелком (~ 10 м) залегании очень четко проявляются в магнитных аномалиях. Мы оцениваем прогнозируемые амплитуды магнитных аномалий над трубопроводом во многие сотни нТл. К благоприятным факторам также следует отнести допущение о спокойном характере фонового поля на исследуемой площади; обычно аномальные поля на шельфе очень слабые, если нет палеорусел рек и областей выноса железистых песков. Поэтому мы вправе ожидать устойчивого выделения аномалии от исследуемого объекта при соблюдении требуемых условий съемки. Основная трудность при определении положения трубопровода методом инверсии магнитной аномалии с точностью до нескольких сантиметров – это требующаяся чрезвычайно высокая детальность измерений вдоль профиля. Забегая вперед, отметим, что во всех модельных расчетах горизонтальная координата центра трубы находилась с точностью до шага дискретизации аномалии по горизонтали, поскольку все используемые технологии в той или иной степени зависят от этой величины. Часть применяемых алгоритмов требует описания аномалий в равноотстоящих по горизонтали отсчетах. Понятно, что никакие процедуры интерполяции не позволяют при этом получить аномалии с более высокой частотой, чем измерено (теорема Котельникова). Поэтому вопрос о нужной детальности измерений – чисто технический, он будет обсуждаться ниже. Вторая проблема заключается в необходимости исключить из наблюдений искажающее влияние переменных во времени составляющих МПЗ – суточные вариации, а также особенно высокочастотные и высоко амплитудные помехи, возникающие во время геомагнитных бурь, амплитуда которых может достигать для высоких широт сотен нТл. Для устранения такого рода помех также требуется применение специальных технических средств – использования магнитовариационных станций и/или съемки в дифференциальном режиме. Проблема в том, что в настоящий момент вопросы высокоточных и высокочастотных (не менее 100 Гц, см. ниже) магнитных и магнитовариационных измерений не проработаны должным образом. Еще одним осложняющим фактором может быть наличие в исследуемом районе локальных магнитных аномалий геологической природы, а также высокий уровень аппаратных помех при выполнении съемки с экстремальными по техническим условиям параметрами, необходимыми для обеспечения требуемой детальности данных. Используемые в наших методиках процедуры обработки позволяют эффективно бороться с таким типом помех. Для решения поставленной задачи – определения положения трубопровода по создаваемой им магнитной аномалии с высокой точностью – предлагается использовать разработанный в лаборатории геофизических полей ИОРАН программный комплекс Linverse2D. Одной из задач,

Рис. 3. Слева: общий вид магнитометра с семью датчиками; справа: спектр шумов магнитометра с амплитудой не более 1 пТл и отклик на слабые магнитные поля с частотой 50 Гц и гармониками на частотах 100 Гц и 150 Гц

Рис. 4. а – аномальное магнитное поле (АМП) над диполем на глубине 10 м; б – то же самое, но с добавлением стационарной помехи с дисперсией 15 нТл решаемых с помощью Linverse2D, как раз и является локализация в пространстве сингулярных источников магнитных аномалий – особых точек. 2D диполь в качестве модели трубопровода подходит под определение такого сингулярного источника. Оценка положения локальных источников магнитных аномалий ведется как стохастическим способом (по спектру поля), так и детерминистским – по алгоритму так называемой эйлеровской деконволюции и с помощью нелинейной инверсии аналитического сигнала. В силу того, что первый способ работает в частотной области, а другие – в пространственной области, эти подходы взаимно дополняют и контролируют друг друга. Не вдаваясь в технические детали описания каждого метода, отметим, что на приводимых ниже модельных расчетах все они продемонстрировали высокую точность и надежность оценок. В качестве модельного примера нами была рассчитана и приведена к формату, доступному для обработки пакетом Linverse2D магнитная аномалия от 2D диполя с магнитным моментом 100 А×м, залегающего на глубине 10 м в точке

с горизонтальной координатой 149,9 м. Шаг дискретизации по профилю был выбран равным 10 см (рис. 4 а). Длина профиля составляет примерно 350 м, его географическое положение соответствует району Баренцева моря вблизи северной оконечности острова Новая Земля, простирание профиля – ЗСЗ–ВЮВ. Аномалия амплитудой свыше 200 нТл имеет классическую одномодальную форму с четким максимумом над сингулярной точкой (положением диполя). Аномалия была осложнена стационарным белым шумом с дисперсией 15 нТл (~7,5 %) (рис. 4 б). Спектральный способ оценки глубины до источника аномалий основан на свойстве линейного затухания логарифмов спектров таких аномалий по частоте. В случае 2D диполя логарифм амплитудного спектра его аномалии, деленный на частоту, пропорционален частоте: ln (P (ω)/ω)~ω, при этом коэффициент пропорциональности является искомой глубиной до диполя. На практике это соотношение лучше всего соблюдается в области низких частот. Наш метод основан на автоматической аппроксимации No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 5. а – то же, что на рис. 2б; б – оценка глубины до диполя спектральным способом, жирная линия – подобранная в частотной области аппроксимация спектра

Рис. 6. а – АМП с рис. 2б, фильтрованное полосовым частотным фильтром; б – оценка глубины до диполя спектральным способом, жирная линия – подобранная в частотной области аппроксимация спектра полиномом первой степени в интерактивно задаваемом диапазоне частот и определении глубины до диполя по коэффициентам подобранного полинома. Способ хорош тем, что малочувствителен к высокочастотным шумам, а также тем, что позволяет оценивать параметры залегания совокупностей источников при сложноустроенном геологическом разрезе. На рисунке 5 б показано применение спектрального способа для оценки глубины по зашумленному полю (рис. 4 а). Частотное окно (диапазон частот, в котором подбирался линейный тренд для спектра) задавалось интерпретатором при визуализации спектра аномалии. Следует отметить абсолютно точное определение глубины. Видно, что при правильном выборе частотного окна, способ практически нечувствителен к выбранному нами типу помехи. 36

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Для сравнения на рисунке 6 показаны результаты применения спектрального метода к фильтрованной полосовым высокочастотным фильтром аномалии, а на рисунке 7 – к сглаженной аппроксимационным сплайном аномалии. Результаты в обоих случаях практически совпадают и очень близки к реальному значению. Без фильтрации помех, сглаживания и разделения аномалий нельзя обойтись по причине того, что спектральным способом определяется только глубина до источника, горизонтальная же координата находится с помощью процедур, работающих в пространственной области. В Linverse2D, помимо упомянутых полосовой фильтрации и аппроксимационного сглаживающего сплайна, предусмотрена возможность фильтрации с использованием винеровского оптимального фильтра, вейвлет-денойзинга, а также про-

Рис. 7. а – АМП с рис. 2б, сглаженное аппроксимационным сплайном; б – оценка глубины до диполя спектральным способом, жирная линия – подобранная в частотной области аппроксимация спектра

Рис. 8. а – АМП с рис. 2б, сглаженное аппроксимационным сплайном; б – оценка глубины до диполя методом деконволюции Эйлера странственного пересчета аномалий. В пространственной области для оценки положения источника аномалии используется метод деконволюции Эйлера. Он основан на свойстве однородности уравнений, описывающих аномалии от простых источников и позволяет определять обе координаты положения источника, а также его тип (если необходимо). При практической реализации важной деталью является процедура выделения пространственного окна, в котором ищется решение, поскольку метод чувствителен к влиянию соседних, даже слабых, источников, если таковые имеются. Для этой цели в Linverse2D используется автоматическая процедура сегментирования профиля на смежные подобласти по принципу: один максимум аналитического сигнала – один источник. Аналитический сигнал определяется как модуль полного градиента аномалии

(вектор, составленный из горизонтального и вертикального градиентов). Он замечателен тем, что не зависит (в 2D случае) от направления намагниченности источника и направления МПЗ, имеет симметричную колоколообразную форму и четкий максимум над сингулярным источником. Выделив на профиле измеряемого магнитного поля локальный участок с четко выраженным максимумом аналитического сигнала, мы тем самым определяем область, внутри которой методом нелинейной оптимизации подбираем набор параметров, наилучшим образом описывающий наблюдаемую кривую. В результате на выходе получаем оценки координат источника, его мощность (магнитный момент) и оценку качества подбора. Примеры использования способов, работающих в пространственной области, для оценки положения источника No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 9. а – АМП с рис. 2б, фильтрованное полосовым частотным фильтром; б – оценка глубины до диполя методом нелинейной инверсии аналитического сигнала, жирная линия – результат аппроксимации модельной аномалии по зашумленному полю после фильтрации приведены на рисунках 8 и 9. Таким образом, совмещение современных инструментальных методов измерения слабых магнитных полей с последними достижениями в области математической обработки электромагнитных сигналов и алгоритмов рас-

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

познавания образов позволяют создать измерительный комплекс, обеспечивающий географическую привязку с точностью до 10 см протяженного цилиндрического магнитного объекта, лежащего на глубине 5–20 м от поверхности водоема.

МЕТОДЫ НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ ПО АНОМАЛЬНОМУ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ Проблема определения местоположения подводного аппарата крайне важна и является одним из необходимых условий выполнения его миссии. Вместе с тем задача точного позиционирования подводного аппарата, особенно при выполнении длительной миссии, далека от решения. Поэтому новые шаги в этой области являются важными и актуальными. Существует несколько систем навигации, отличающихся различной точностью позиционирования, областью применения и устойчивостью к внешним воздействиям. Спутниковая система навигации – комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназна-

ченная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов. Достоинство этой системы – максимальная точность (до 30 см).

ОАО «Концерн «Моринсис–Агат»* Москва

Институт океанологии им. П.П. Ширшова* Москва

А.Г. Горшков

А.Н. Иваненко * участники Технологической платформы «Освоение океана»

Недостатки – слабый сигнал (на уровне теплового шума). Вследствие этого в условиях боевых действий легко может быть заглушена. Кроме того, принципиально неприменима под водой, под землей, даже в условиях лесного дождя, т. е. при плохих условиях прохождения слабого радиосигнала. Сущность инерциальной навигации состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств. По этим данным устанавливается его местоположение (координаты), курс, скорость, пройденный путь и др. и определяются параметры, необходимые для стабилизации объекта и автоматического управления его движением. Это осуществляется с помощью: • датчиков линейного ускорения (акселерометров); • гироскопических устройств, воспроизводящих на объекте систему отсчета (например, с помощью гиростабилизированной платформы) и позволяющих определять углы поворота и наклона объекта, используемые для его стабилизации и управления движением; • вычислительных устройств, которые по ускорениям (путем их интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и другие параметры движения. Преимущества методов инерциальной навигации состоят в автономности, помехозащищенности и возможности полной автоматизации всех процессов навигации. Благодаря этому методы инерциальной навигации получают все более широкое применение при решении проблем навигации надводных судов, подводных лодок, самолетов, космических аппаратов и других движущихся объектов.

Недостатки: • необходимость реперной точки (начала отсчета), относительно которой и будет отсчитываться последующее движение с неуклонно увеличивающейся ошибкой; • сложность и громоздкость оборудования. Возможно использование акустической навигации, которая организуется следующим образом. Сначала в акватории, где запланирована работа автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), на дно устанавливаются гидроакустические маяки – транспондеры. При значительных глубинах акватории точное позиционирование таких маяков – отдельная самостоятельная задача. На практике этот процесс осуществляется с некоторой ошибкой измерения. При выполнении миссии АНПА измеряет расстояние до маяков и определяет их азимуты, обеспечивая таким образом свое позиционирование. Очевидно, что навигация по маякам – транспондерам, ограничена районом расстановки таких транспондеров – небольшая бухта, акватория порта и т. п. Для навигации подводного аппарата чаще всего применяются инерциальные системы навигации. Они отсчитывают направление, ускорение и время движения от определенной каким-либо способом реперной точки. Отечественных малогабаритных (порядка 10 см3) высокоточных приборов инерциальной навигации с ничтожным энергопотреблением пока не создано, а иностранные, в первую очередь американские производители, не продают свою продукцию в Россию. В настоящей работе предлагается оригинальный метод навигации подводных аппаратов, основанный на исполь-

Рис. 1. Карта аномального магнитного поля участка морского дна: а – положение предписанной (линия 1–2, синий цвет) и реально выполненной (линия 1–2’, красный цвет) миссий АНПА, совмещенных с картой аномального магнитного поля; б – графика аномального магнитного поля вдоль разрезов по линиям 1–2 (синий цвет) и 1–2’ (красный цвет) 41

В последнее время в этой области достигнуты большие успехи. Пионером и лидером в сфере инерциальных систем навигации (ИСН) всегда были США, им и принадлежит первый практический вариант такой системы, которая была разработана в начале 60-х годов. Эта ИСН была испытана во время перелета в Лос-Анджелес, в течение которого при помощи нее осуществлялось автоматическое управление самолетом. Система, включающая в себя обслуживающую ЭВМ, состояла из нескольких ящиков внушительных размеров, занявших почти весь салон самолета. Наиболее уязвимым местом ИНС долгое время являлись механические гироскопы, применение которых требовало значительных энергозатрат (50–100 Вт), а также обусловливало большую массу изделия (свыше 5 кг). Положение дел сильно изменило применение лазерных гироскопов, где нет вращения механических частей. В России лидером в этой области является НИИ «Полюс», его лучшие модули лазерных гироскопов весят не более 3 кг и потребляют не более 30 Вт мощности. Однако геоинерциальный блок с акселерометрами потребляет уже 50 Вт мощности и имеет массу 8,5 кг. Инерциальное навигационное Учитывая важность инерциальных систем навигации, агентством пе- устройство, созданное учеными редовых оборонных исследований (DARPA, США) была поставлена задача Мичиганского университета создания ИНС нового поколения. Впечатляющих успехов добились ученые Мичиганского университета, создавшие геоинерциальный блок (3 гироскопа, 3 акселерометра и мастер-часы), помещающийся на одноцентовой монете. К сожалению, никакие технические данные изделия не приводятся, но сама разработка вошла в число лучших разработок DARPA за 2013 год. Предшествующая и конкурентноспособная разработка DARPA в этой области (2012 год) – геоинерциальные блоки на базе маятника Фуко, имеющие несколько большие размеры – около 10 см3. Были представ- Лазерный гироинерциальный блок лены три варианта: от Мичиганского университета, университета АИС-402, разработанный НИИ Джорджии и Калифорнийского университета. «Полюс»

зовании данных по аномальному магнитному полю (АМП) и батиметрии районов плавания. Рассмотрим принципы навигации автономного необитаемого подводного аппарата по геофизическим полям (в процессе работы АНПА выполняет магнитную и батиметрическую съемку, тем самым пополняя базы данных и увеличивая точность последующих работ). Основной принцип навигации АНПА по геофизическим полям состоит в возможности динамического восстановления и корректировки маршрута движения такого аппарата по результатам сопоставления измеряемых в процессе движения полей и их предсказанных эталонных значений. Технически это осуществляется с помощью расчета бортовым компьютером значений поля – признака вдоль заданного маршрута миссии автономного необитаемого подводного аппарата по заложенной в его память цифровой карте, полученной по результатам всех предшествующих исследований в районе работ (рис. 1 а). Составление таких эталонных карт осуществляется с помощью разработанного авторами специального математического обеспечения, позволяющего сводить воедино и с высокой точностью данные, полученные в разное время, разными измерительными системами и с разных платформ. В свою 42

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

очередь, такая цифровая карта позволяет с высокой точностью рассчитывать вдоль заданного маршрута миссии АНПА (рис. 1 а, синяя линия), предсказанные эталонные значения поля-признака (рис. 1 б, синяя линия), а также полный набор его градиентов. Во время осуществления реальной миссии АНПА (рис. 1 а, красная линия) выполняет измерения поля-признака с помощью бортовой измерительной системы (рис. 1 б, красная линия). Сопоставление этих данных с эталонными, взятыми из исходно заложенной в память компьютера подводного аппарата цифровой карты аномального магнитного поля района работ, позволяет решить задачу восстановления истинного маршрута движения АНПА посредством разработанного алгоритма, использующего итерационный процесс для решения системы уравнений невязок (рис. 2). В уравнениях невязок используются рассчитанные по цифровой карте плоские, а при необходимости и вертикальный, градиенты поля. Маршрут движения АНПА разбивается на последовательность контрольных точек, для которых осуществляется расчет траектории истинного движения аппарата и его коррекция (рис. 3). Измеренные в результате выполнения миссии АНПА значения могут использоваться для переувязки данных по площади

Рис. 2. Карта аномального магнитного поля участка морского дна, приведенная на рис. 1, с добавлением промежуточных результатов по восстановлению реального маршрута АНПА (итерация № 3): а – положение предписанной (линия 1–2, синий цвет), реально выполненной (линия 1–2’, красный цвет) и промежуточной (линия 1–2’’, зеленый цвет) миссий АНПА, совмещенных с картой АМП. б) графики АМП вдоль разрезов по линиям 1–2, синий цвет, 1–2’, красный цвет и 1–2’’, зеленый цвет

Рис. 3. Восстановление реального маршрута АНПА (достигнуто на итерации № 5): а) Положение предписанной (линия 1–2, синий цвет), реально выполненной (линия 1–2’, красный цвет) и восстановленной (линия 1–2’’, зеленый цвет) миссий АНПА,, совмещенных с картой АМП; линии 1–2’ и 1–2’’ полностью совпали. б) графики АМП вдоль разрезов по линиям 1–2, синий цвет, 1–2’, красный цвет и 1–2’’, зеленый цвет, линии по разрезам 1–2’ и 1–2’’ полностью совпали. Линия 2–3 показывает положение последующего запланированного шага миссии АНПА, линия 2’-3 – скорректированный маршрут работ и пересчета цифровой карты поля, тем самым осуществляется повышение качества навигации от миссии к миссии. Таким образом, имеется принципиальная возможность создать альтернативную систему навигации, не имеющую аналогов в России и за рубежом. Надо понимать, что точность определения координат данным методом полностью определяется точностью исходной магнитной съемки и адекватностью вычисления аномального магнитного

поля. Скорость реагирования системы на изменение аномального магнитного поля определяется расчлененностью АМП в районе работы автономного необитаемого подводного аппарата. Ясно, что в условиях расчлененного рельефа АМП, характерного, например, для окраинных морей Дальнего Востока, скорость реагирования, и, соответственно, скорость коррекции положения АНПА будут максимальными, а в районе полностью однородного АМП данный метод вообще малоприменим. No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ОПТИЧЕСКИЙ КАНАЛ

ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОДВОДНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ВОД И КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН Поиск полезных ископаемых на континентальном шельфе, контроль газо- и нефтепроводов, осмотр подводной части судов, решение проблемы навигационной неопределенности и другие задачи в области морской деятельности невозможны без использования подводных роботов, позволяющих передавать видеоизображения в реальном масштабе времени. В интересах решения этих задач разработан прототип подводного оптического канала передачи подводных изображений и сформулированы требования к его техническим параметрам. Определены предельные расстояния передачи информации в разных типах вод для подводной системы передачи с оптическим бюджетом 45 дБ. Обоснована модель формирования подводных изображений, учитывающая особенности распространения света в водной среде и разработан алгоритм улучшения качества, позволяющий увеличивать дальность видимости и распознавания подводных объектов в 3–4 раза по сравнению с необработанным изображением. ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»* Рязань С.Н. Кириллов, И.В. Косткин, В.Т. Дмитриев * участник технологической платформы «Освоение океана» 44

В настоящее время для передачи информации в водной среде используют проводные и беспроводные линии связи [2, 3]. Передаваемая информация представляет собой характеристики подводной среды и видеоданные с подводных камер, а также команды управления подводными роботами. Проводные линии подводной связи, в том числе волоконно-оптические, существенно ограничивают диапазон действия и снижают мобильность малогабаритных телеуправляемых подводных аппаратов (МТПА). Кроме того, использование таких линий становится невозможным при увеличении числа обслуживаемых подводных аппаратов. Беспроводные акустические линии связи основываются на передаче звуковых волн через водную среду. Однако данные линии связи обеспечивают низкую скорость передачи и имеют невысокую помехоустойчивость из-за наличия большого количества акустических помех [4]. Использование электромагнитных волн позволяет существенно повысить скорость передачи информации. Кроме того, распространение электромагнитных волн не зависит от солености, температуры и давления воды. Однако данный вид волн подвержен сильному затуханию в водной среде вследствие поглощения и рассеяния, что значительно ограничивает дальность связи. Из анализа работ [2–5] известно, что наименьшее поглощение в водной среде испытывают электромагнитные волны оптического диапазона с длиной волны 200-900 нм. Беспроводные оптические линии связи позволяют получить высокую скорость передачи информации путем использования большой полосы частот, составляющей десятки гигагерц [6, 7]. Учитывая вышеизложенное, целесообразно использовать беспроводную оптическую систему передачи информации для применения в мобильных МТПА. Однако из-за взаимодействия оптического излучения с водной средой при распространении происходит значительное рассеяние и поглощение сигнала, которое достаточно трудно прогнозировать.

Обоснование модели распространения оптического сигнала в водной среде Известно, что морская вода включает в себя три основные составляющие: чистую воду, растворенные вещества (неорганические и органические) и взвесь (минеральную и органическую) [4, 5]. Однако механизм влияния указанных составляющих различен. Поэтому при обосновании модели распространения оптического сигнала предложе-

но разделять содержащиеся в воде вещества по природе их влияния на данный сигнал. Основными компонентами, учитывающими влияние среды распространения оптического сигнала, являются поглощение и рассеяние. Способность воды и содержащихся в ней веществ поглощать электромагнитное излучение в широком диапазоне интенсивностей определяется законом Бугера [4, 5]. Данный закон связывает передаваемую и принимаемую мощность оптического сигнала с помощью коэффициента поглощения а (λ), который зависит от длины волны λ распространяющегося сигнала и характеризует потери электромагнитной энергии в водной среде на нагревание, изменение химического состава вещества, ионизацию, переизлучение на другой длине волны и т. п. В общем случае океаническая вода состоит из молекул воды, органических частиц, газов, вирусов, бактерий, фитопланктона и неорганических частиц [4, 5]. Концентрация указанных веществ в зависимости от типа водной среды и времени меняется в достаточно широких пределах. Таким образом, в ряде случаев невозможно полностью учесть все составляющие показателя поглощения оптического сигнала в водной среде. Поэтому обычно [1, 4] учитываются только основные компоненты, имеющие наибольшую концентрацию. В [4, 5] приводятся измеренные зависимости коэффициента поглощения для разных типов вод, по которым осуществляется выбор длины волны оптического сигнала, имеющего наименьшее поглощение. Для чистой воды минимум поглощения находится около 450 нм. При добавлении примесей минимум поглощения немного смещается в область более длинных волн, а его значение зависит от типа примесей и их концентрации. Интенсивность и направление рассеяния зависят от размеров присутствующих в воде частиц. В связи с этим выделяют [3, 4, 8] рассеяние света частицами с размерами, соизмеримыми с λ (молекулярное рассеяние Релея), и рассеяние света частицами с размерами большими λ (рассеяние Ми). Рассеяние на атомах и молекулах описывается теорией Релея [2, 4, 8], которая позволяет полностью учесть рассеяние сигнала в чистой воде. Рассеяние на частицах с размерами большими λ имеет ярко выраженную направленность, определяемую индикатрисой рассеяния [5, 8]. Расчет данного вида рассеяния проводится с использованием теории Ми, в которой учитываются относительные размеры частиц, их форма, расстояния между частицами, взаимные расположения частиц и показатели преломления. При этом используется допущение о том, что частицы являются сферическими 45

и имеют одинаковые размеры. В результате полное рассеяние оценивается как сумма рассеяний, произведенных каждой частицей.

Элементы оптической системы передачи информации К оборудованию оптической системы передачи информации, устанавливаемому на борту малогабаритных телеуправляемых подводных аппаратов, предъявляется ряд специфических требований: 1) минимизация массогабаритных показателей и энергопотребления; 2) обеспечение работоспособности оптической линии связи в условиях наличия значительных ошибок визирования, вследствие невозможности обеспечения точного позиционирования в подвижной водной среде; 3) поскольку доступ к подводным роботизированным комплексам затруднен, оборудование связи должно быть работоспособным в течение длительного времени без технического обслуживания, а также иметь высокую степень надежности; 4) для передачи видеоданных в режиме реального времени необходимо поддерживать скорость передачи не ниже 10 Мбит/с при разрешении изображения 830x480 пикселей и частоте 25 кадров/с. При проектировании подводной оптической линии связи первоначально требуется осуществить выбор светового источника, поскольку конструкция передающей и приемной частей системы определяется типом излучающего элемента. В настоящее время для построения подводных линий связи с мобильными роботизированными комплексами могут использоваться светодиоды и лазерные диоды [2, 3, 8]. Светодиоды излучают волны в узком спектральном диапазоне. Достоинствами светодиодов являются высокий КПД, стабильность, большой срок эксплуатации, надежность и низкая стоимость. Недостаток – переход в нелинейный режим при нагревании. Лазерные диоды (ЛД) обеспечивают формирование когерентного излучения. Скорость переключения лазерных диодов значительно выше, чем светодиодов, что позволяет получить скорость передачи информации до нескольких Гбит/с [6, 7, 9]. Недостатком лазерных диодов является высокая чувствительность к изменению температуры. В настоящее время в подводных оптических линиях связи применяются следующие типы фотонных приемников: фотодиод, лавинный фотодиод, фотоэлектронный умножитель [3, 8]. Использование фотодиодов обеспечивает простоту реализации, но их чувствительность в сине-зеленой части спектра ограничена, что является недостатком, так как в этой области спектра оптический сигнал испытывает наименьшее ослабление [2, 4, 5, 8]. Лавинные фотодиоды 46

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Pош 10-2

10-4 3 10-6

10-8 10-10 1

100 R, m

Рис. 1. Зависимость нормированной мощности на входе приемника от расстояния позволяют существенно повысить чувствительность при компактных размерах, однако обладают сильной зависимостью коэффициента усиления от температуры. Фотоэлектронный умножитель позволяет достичь компромисса между коэффициентом усиления и чувствительностью к изменению внешних условий. Таким образом, в результате проведенного анализа в качестве источника излучения может быть использован лазерный диод с длиной волны излучения 450 нм и мощностью 80 мВт, а в качестве приемника – фотоэлектронный умножитель с диаметром приемной апертуры, равным 8 мм. Параметры передатчика и приемника выбраны с учетом указанных выше требований после проведения анализа предлагаемых в настоящее время оптических устройств.

Экспериментальные исследования оптического канала для МТПА Предварительно были получены зависимости нормированной мощности излучения от расстояния между приемником и передатчиком для разных типов вод (рис. 1): где 1 – чистая океаническая вода при среднем коэффициенте ослабления εˉ (λ) = 0,12; 2 – прибрежная океаническая вода при εˉ (λ) = 0,3; 3 – прибрежная морская вода при εˉ (λ) = 0,5; 4 – вода в местах сильной биологической активности при εˉ (λ) = 2,19. Полученные зависимости использовались для расчета вероятности ошибки Рош при передаче оптического сигнала от расстояния до оптического приемника R при разных значениях скорости передачи и разных типах вод (рис. 2). Сплошные линии на рисунке 2 соответствуют скорости передачи в 10 Мбит/с, пунктирные – скорости передачи в 100 Мбит/с. Разработанная модель согласуется с результатами исследований, проведенных по расчету мощности на входе приемника и вероятности ошибочного приема символа [2, 3, 8].

Лазер NDB 7875

Pош

Информационный сигнал от интерфейсного модуля PECL

10-2 10-4 Управляющий источник тока

10-6 10-8

Схема управления и контроля LM 2902

10-10 10-12

Драйвер лазера на основе двух микросхем МС 2042

+5 V

+6 V

80 R, m

+7,5 V

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки от расстояния до оптического приемника Проведенные экспериментальные исследования подводной оптической системы передачи информации показали, что при скорости передачи информации 10 Мбит/с величина ошибки не превышала 10–7 на расстоянии до 64 м в чистой океанической воде, 42 м в прибрежной океанической воде и 19 м в океанической воде в местах сильной биологической активности. При скорости передачи информации 100 Мбит/с величина ошибки не превышала 10–7 на расстоянии до 53 м в чистой океанической воде, 32 м в прибрежной океанической воде и 9 м в океанической воде в местах сильной биологической активности. Такие же дальности связи, как и при скорости передачи 10 Мбит/с, достигались при вероятности появления ошибок 10–3.

Состав подводной оптической системы передачи информации Структурная схема передатчика и приемника оптического излучения изображена на рисунке 3. Передатчик оптического излучения преобразует амплитудно-модулированный электрический сигнал в оптический. Источником оптического излучения является полупроводниковый лазер фирмы Nichia NDB7875 (синий) с рабочей длинной волны 445 нм. Ток через лазер задается управляемым источником тока на мощном полевом транзисторе. Информационный сигнал подается на пару токовых драйверов MC 2042 в параллельном включении. При подаче логического уровня «0» на входы драйверов происходит шунтирование лазера. В этот момент через лазерный диод протекает только ток смещения. При подаче логического уровня «1» на входы драйверов шунтирование лазера не происходит. В данном случае через лазерный диод протекает ток смещения плюс ток модуляции. Таким способом осуществляется амплитудная модуляция оптического излучения.

+3 V

Вторичный источник питания Фотодиод S 5973

Информационный сигнал к интерфейсному модулю PECL

Трансимпедансный усилитель МО 2011

Усилитель ограничитель MAX 3969 к измерителю тока фотоприемника

Фильтр

+3,3 V +6 V

+3,3 V

Малошумящий источник питания на основе VC 33269

Рис. 3. Структурная схема передатчика и приемника оптического канала передачи информации С помощью схемы управления и контроля оптического передатчика, собранной на операционном усилителе LM 2902, осуществляется установка мощности излучения лазера. Для исключения перегрева, лазерный диод установлен в массивное основание оптической коллимирующей схемы, которое является хорошим радиатором. Максимальная мощность оптического излучения составила более 20 дБм. Приемник оптического излучения преобразует модулированное излучение оптического передатчика в электрический сигнал, который формируется приемным объективом на светочувствительной площадке кремниевого фотодиода S5973 фирмы Hamamatsu. Далее полученный фототок поступает на вход трансимпедансного усилителя MO2011, на котором реализован первый каскад усиления. На рисунке 4 показан внешний вид приемопередающего модуля в герметичном корпусе и без него. В таблице 1 приведены основные параметры известного на начало 2014 года оборудования оптической подводной связи. Как видно из анализа таблицы, к настоящему времени No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

существует не менее трех вариантов оборудования беспроводной оптической связи со скоростью передачи данных от 10 до 50 Мбит/с на дистанциях, не превышающих 20 м (при слабой мутности вод). Результаты, полученные в данной работе, (скорость передачи 100 Мбит/с на расстояниях до 100 м при слабой мутности вод) позволяют считать возможным создание оборудования, по своим параметрам превышающее все известные образцы [13]. Подводный оптический канал связи предназначен прежде всего для передачи видеоизображений в реальном масштабе времени. Поэтому частью этого канала является алгоритм улучшения качества подводных изображений.

Алгоритм улучшения качества подводных изображений В связи с бурным развитием подводных роботизированных комплексов появляется потребность в разработке качественных алгоритмов обработки видеопоследовательностей, полученных в водной среде рек, морей и океанов [14]. Основная проблема обработки подводных изображений вызвана значительным ослаблением света, что уменьшает дальность видимости до 20 метров в чистой воде и до 5 метров в мутной. Ослабление обусловлено поглощением и рассеиванием как в самой воде, так и в растворенных в ней органических веществах и малых взвешенных частицах. В современных системах обработки подводных видеоизображений для борьбы со специфическими искажениями используются дополнительные аппаратные средства, в частности лазерная подсветка, применение поляризационных линз, внешняя подсветка объекта съемки и другие [15, 16]. Подобные подходы приводят к увеличению массогабаритных показателей, повышенному энергопотреблению и росту стоимости аппаратуры для подводной видеосъемки в реальном масштабе времени. Рис. 4. Внешний вид приемо-передающего модуля в герметичном корпусе и без него

Таблица 1 Основные параметры известного на начало 2014 года оборудования подводной связи

Год издания

Авторы, источник

Дистанция, метры

Скорость передачи данных, Мбит/с

Источник

1992

Источник [10]

ЛД

1995

Источник [11]

ЛД

2005

Источник [12]

Светодиод

2013

Научный коллектив под руководством Кириллова С.Н. Патент «Аппаратура подводной оптической связи» №2526207

100

ЛД

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Источники освещения

Прямая передача

Прямое рассеивание

Обратное рассеивание Среда

Камера

Рис. 5. Схема формирования подводных изображений Известны [14, 16] негативные факторы, характерные для подводной видеосъемки: 1) быстрое затухание света, которое требует применения специальных аппаратных источников освещения; при этом искусственное освещение сцены неоднородно и приводит к яркому пятну в центре изображения, в свою очередь окрестность остается плохо освещенной; 2) преобладание синей и зеленой цветовых компонент в необработанных подводных видеоизображениях, которое происходит из-за того, что красная компонента сильно поглощается средой и фиксируется только на расстоянии менее одного метра; 3) усиление эффектов затухания и поглощения, которые происходят из-за неоднородности типа и концентрации взвешенных частиц, что приводит к размытию изображения (прямое рассеивание), искажению цвета, а также к появлению ярких артефактов, известных под названием «морской снег»; 4) искажение контраста изображения, которое происходит из-за нестабильности оптических свойств подводной среды. Особенности подводной видеосъемки, учтенные при разработке алгоритма улучшения качества изображений, представлены на рисунке 5. Для подводных изображений характерно наличие двух условных источников освещения. Первым источником является подсветка камеры, которая ослабляется поглощением и рассеиванием в воде. Сигнал, приходящий на фоторегистрирующее устройство от данного источника, формирует исходное (искаженное) изображение. Этот сигнал состоит из двух частей: компоненты прямой передачи и компоненты прямого рассеивания [14]. Вторым источником является свет, отраженный от различных элементов, находящихся вне снимаемой сцены, и характеризуемый величиной обратного рассеивания. Метод программной предобработки подводных изображений, проводимой с целью улучшения качества, основан на неоднородной коррекции цвета и освещения [17].

Рис. 6. Примеры полученных в ходе исследования видеоизображений с применением разработанного алгоритма: А – исходное изображение, Б – изображение после обработки, В – увеличенный фрагмент исходного изображения, Г – увеличенный фрагмент изображения после обработки В работах [14, 16, 18] описано довольно много способов борьбы с вышеописанными эффектами в подводных изображениях, но почти все они целиком или частично являются аппаратными. Представлен полностью программный алгоритм устранения подводных искажений и улучшения качества изображений. Такой подход не требует предварительной калибровки и одинаково эффективен при работе с изображениями, полученными на глубинах от 30 до 100 метров. Предложенная модель искажений подводных изображений предполагает проводить обработку в следующем порядке. Вначале необходимо удалить аддитивную компоненту муарового эффекта, который проявляется в виде узора, возникающего при наложении двух периодических сетчатых рисунков. Данный этап является очень важной частью алгоритма, так как его отсутствие приводит к неэффективности дальнейшей фильтрации. После этого производится удаление мультипликативной компоненты прямого рассеивания, которая описывает фактор неравномерности освещения в полученном изображении. Данная компонента изменяется сравнительно медленно, следовательно, для ее устранения целесообразно проводить гомоморфную фильтрацию в частотной области. В работах [19, 20] показано, что для полного устранения мультипликативных искажений частотной области необходимо дополнительно осуществлять вейвлет и анизотропную фильтрацию подводных видеоданных, после чего требуется проводить коррекцию цвета для уменьшения влияния искажения. В целом разработанный алгоритм включает 9 этапов. Экспериментальные исследования предложенного алгоритма улучшения качества подводных видеоданных No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

проводились на цветных 8‑битных видеоизображениях размером 480x360 пикселей, с частотой 25 кадров в секунду, полученных на глубинах от 30 до 150 м. Кроме того, для анализа подводных изображений была использована модель «Макглаймери» [16] при гауссовском шуме как аддитивной составляющей, а также сужение цветового диапазона гистограммным методом [19]. В ходе экспериментальных исследований были подобраны оптимальные параметры фильтрации. Жесткое задание параметров фильтрации позволило значительно увеличить скорость работы алгоритма. Данный алгоритм был протестирован на современном ПК с частотой процессора 3,3 ГГц. На рисунке 6 представлены отдельные результаты работы предложенного алгоритма улучшения качества подводных видеоизображений. Тестирование показало, что алгоритм позволяет увеличивать дальность видимости в 3–4 раза и при этом работает с видеопотоком в режиме реального времени. Сравнение рисунков 6А и 6Б показывает, что обработанное изображение обладает большей четкостью. Кроме того, анализируя увеличенные фрагменты изображений на рисунках 6В и 6Г можно сделать вывод, что после обработки становятся видны мелкие детали изображения, а дальность визуального распознавания небольших объектов существенно увеличивается. Субъективная оценка качества по ГОСТ 26320–84 показала, что разработанный алгоритм обработки позволяет увеличить качество подводных видеоизображений с 3 до 5 баллов (по пятибалльной шкале), а дальность видимости – в 3–4 раза, и при этом работает с видеопотоком в режиме реального времени на скорости передачи до 1,5 Мбит/c. 50

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Заключение В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований создан прототип беспроводного оптического канала и сформулированы требования к его техническим параметрам. Определены предельные расстояния передачи информации в разных типах вод для подводной системы передачи с бюджетом 45 дБ. Обоснована модель формирования подводных изображений, учитывающая особенности распространения света в водной среде, и создан алгоритм улучшения качества, позволяющий увеличивать дальность видимости и распознавания подводных объектов в 3–4 раза по сравнению с необработанным изображением. Субъективная оценка качества по ГОСТ 26320–84 показала, что разработанный алгоритм позволяет увеличить качество подводных видеоизображений с 3 до 5 баллов (по пятибалльной шкале). Обоснован алгоритм сжатия подводных видеоизображений формата NTSC разрешением 720×480, работающий в реальном масштабе времени при минимальной скорости передачи до 1,5 Мбит/c, что позволяет передавать видеоданные с хорошим (по пятибалльной шкале) качеством в режиме реального масштаба времени при сравнительно небольшой требуемой скорости канала связи. Разработана техническая документация на макет оптического приемопередатчика, и по этой документации изготовлен макет системы подводной беспроводной связи. Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007–2013 годы (ГК 07.514.11.4083).

ЛИТЕРАТУРА 1. Bellingham J.G. Streitlien K., Overland J., Rajan S., Stein P., Stannard J., Kirkwood W., Yoerger D. An Arctic Basin observation capability using AUVs // Oceanography. – 2000. – Vol. 13. – №2. – P. 4-70. 2. Shlomi Arnon. Underwater optical wireless communication network. Journal of optical engineering, january 2010. – 110 pp. 3. Heather Brundage. Designing a Wireless Underwater Optical Communication System. Master of Science in Mechanical Engineering at the Massachusetts Institute of Technology. – 2010. – 87 pp. 4. Доронин Ю.П. Физика океана. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1978. – 296 с. 5. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1983. – 281 с. 6. Пратт В. Лазерные системы связи. / Пер. с англ. под ред. А.Г. Шереметьева. – М.: Связь, 1972. – 232 с. 7. Кацман М. Лазерная космическая связь. Пер. с англ. под ред. А.В. Ермишина – М.: Радио и связь, 1993. – 240 с. 8. Gawdi Yash Jagdishlal. Underwater free space optics. Master of Science in Mechanical Engineering at the North Carolina State University. – 2006. – 130 pp. 9. Hanson, Frank andStojan Radic. High bandwidth underwater optical communication. Optical Society of America, january 10, 2008, Applied Optics, Vol. 47. – 90 pp. 10. Snow J.B., Flatley J.P., Freeman D.E., Landry M.A., Lindstrom C.E., Longacre J.E. and Shwartz J.A. Underwater propagation of high data rate laser communication pulses. SPIE 1750. – 1992. – Р. 419-427. 11. Bales J.W. and Chryssostomidis C. High handwidth, low-power, shot range optical communications under-water. International Symposium on Unhanned Untethered Submersible Technology. 9. – 1995. – P. 406-415. 12. Chancey M.A. Short range underwater communication links. Master thesis, North Carolina state University, 2005. 13. Патент на изобретение №2526207 Аппаратура подводной оптической связи. Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет» Авторы: Дмитриев В.Т., Кириллов С.Н., Кузнецов С.Н., Лоцманов А.А., Поляков С.Ю. 14. R. Garcia, Т. Nicosevici, X. Cufi. On the way to solve lighting problems in underwater imaging // IEEE OCEAN 02 – October 2002. – P. 10181024. 15. Z. Liu, Y. Yu, K. Zhang, H. Huang. Underwater image transmission and blurred image restoration II SPIE Journal of optical Engineering, June 2001. Vol. 40(6). – P. 1125-1131. 16. B.L. McGlamery. A computer model for underwater camera system II Proc. SPIE, 1979. – P. 221-231. 17. E. H. Adelson. Lightness perception and lightness illusions II The New Cognitive Neurisciences. Cambridge: MIT – 2000. – P. 201-247. 18. D. N. Sidorov, ANil C. Kokaram. Suppression of moir'e patterns via spectral analysis II Proceedings of SPIE in VisualCommunications and Image Processing, January 2002. – P. 475-493. 19. Гонсалес P. Вудс P. Цифровая обработка изображений. – М.: Техносфера, 2005. – 1072 с. 20. A. Farras Abdelmour, Ivan W. Selesnick. Symmetric Nearly Orthogonal, and Orthogonal Nearly Symmetric Wavelets II Research Report. – February, 2003. – P. 331-374.

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

ОАО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ»

НА III МОСКОВСКОМ МЕЖДУНАРОДНОМ ФОРУМЕ «ОТКРЫТЫЕ ИННОВАЦИИ» МОСКВА, 14–16 ОКТЯБРЯ 2014 ГОДА, ТЕХНОПОЛИС «МОСКВА» На 84-х стендах выставки представили свои проекты 490 компаний из 15 стран мира. В трех открытых презентационных зонах состоялось более 50 мероприятий. В особой стартап-зоне, ставшей центром экспозиции Выставки, разместили свои проекты 110 команд. Open Innovations Expo в этом году также стала основной площадкой для Молодежной программы Форума. За три дня в двух стартап-лекториях форума прошло более 30 мероприятий для молодых предпринимателей и студенческой аудитории. Мероприятия были посвящены созданию нового высокотехнологичного бизнеса в России. ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» выступил на форуме в двух «лицах»: в «лице» координатора межотраслевой технологической платформы «Освоение океана» в экспозиции Российского фонда технологического развития, на которой были представлены достижения и планы платформы; и в «лице» аффилированной компании ООО «Центр исследований и разработок концерна Агат» (ООО «ЦИРКА») на экспозиции космического кластера Фонда «Сколково», где был представлен созданный центром ультракомпактный безопасный для глаз флуоресцентный лидар для дистанционного зондирования Земли в сложных погодных условиях (в том числе с борта беспилотных летательных аппаратов). Данный прибор, который был разработан и изготовлен в 2012–2014 гг. в рамках соответствующих проектов Фонда «Сколково» и Фонда поддержки малых предприятий РФ, работающих в научно-технической сфере, привлек внимание как специалистов, так и гостей выставки. Большой интерес вызвала также экспозиция технологической платформы «Освоение океана», многие посетители с удовольствием листали и брали с собой представленные на стенде журналы «Морские информационно-управляющие системы». В работе выставки приняли участие главы правительств России и Китая Дмитрий Медведев и Ли Кэцян. Китайские партнеры провели на Форуме специальное мероприятие «Диалог по инновациям: взаимодействие инновационной 52

политики стран-партнеров», в ходе которого эксперты наметили основные векторы дальнейшего сотрудничества. На выставке Open Innovations Expo были представлены коллективные экспозиции 19-ти регионов России. Масштабная экспозиция КНР, официальной страны-партнера Форума и Выставки, продемонстрировала достижения в сфере создания особых экономических зон, технопарков и инновационных кластеров, развития аэрокосмической отрасли, ядерной энергетики, инфотелекоммуникационных технологий и новых источников энергии. Самые большие стенды были у крупнейших российских и иностранных организаций – фондов «Сколково», «Роснано», Российской венчурной компанией и др.

ПАНЕЛЬНАЯ ДИСКУССИЯ

«ИННОВАЦИИ В ОСВОЕНИИ ОКЕАНА: ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ К СОЗДАНИЮ КЛАСТЕРА» НА VII ПЕТЕРБУРГСКОМ МЕЖДУНАРОДНОМ ИННОВАЦИОННОМ ФОРУМЕ В Санкт-Петербурге с 1 по 3 октября 2014 года прошел VII Петербургский международный инновационный форум, который проводится совместно с XVIII Международным форумом «Российский промышленник». Мероприятие состоялось в выставочном комплексе «Ленэкспо». Форум проводился при официальной поддержке Министерства промышленности и торговли РФ, полномочного представителя Президента РФ в Северо-Западном Федеральном округе, Правительства Санкт-Петербурга, Торгово‑Промышленной палаты РФ, Российского Союза Промышленников и предпринимателей, Союза промышленников и предпринимателей Санкт-Петербурга. По замыслу организаторов, форум должен содействовать реализации инновационного развития экономики региона, инженерному, энергетическому и транспортному оснащению промышленных предприятий, обеспечению их квалифицированными кадрами, формированию промышленных кластеров, повышению качества и конкурентоспособности продукции и способствует продвижению новейших разработок на международные и региональные рынки сбыта. 54

В рамках VII Петербургского Международного Инновационного Форума состоялась панельная дискуссия «Инновации в освоении Океана: от Технологической платформы к созданию кластера», организатором которой является ОАО «Концерн «Моринсис-Агат». В дискуссии приняли участие около 60 человек из 20 организаций. Модератор мероприятия: Кобылянский Валерий Владимирович, ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», сопредседатель координационного совета технологической платформы «Освоение океана», заместитель генерального директора-генерального конструктора ОАО «Концерн «МоринсисАгат» по инновационной политике. В президиуме, кроме В.В. Кобылянского, присутствовали: • Шадрин Артем Евгеньевич, директор департамента

инновационного развития Минэкономразвития РФ; • Денисов Александр Федорович, начальник отдела инноваций Департамента проектного инжиниринга ОАО «ОСК»; • Трушенков Вячеслав Васильевич, заместитель генерального директора по науке, ОАО «Концерн «МПО – Гидроприбор»; • Ханычев Виталий Викторович, зам. генерального директора по научной работе, ОАО «ЦНИИ «Курс». Обсуждались следующие вопросы: • Основные проблемы и вызовы на пути развития отрасли морских и подводных технологий в России; • Предложения по технологической дорожной карте развития в интересах обеспечения задач освоения океана; • Возможности участия Федеральных университетов в реализации инновационных проектов по технологическим направлениям платформы «Освоение океана»; • Привлечение крупного государственного и частного бизнеса в развитие этих технологий; • Инициатива по созданию Дальневосточного инновационного кластера по подводной робототехнике и морскому приборостроению; • Реализация ряда инновационных проектов в Арктике и приполярных областях, в частности при развитии Северного морского пути; • Защита интересов Российской Федерации в области технологической независимости, продвижение отечественных технологических решений на внешние рынки. 55

ОАО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ» НА МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ОТКРЫТАЯ АРКТИКА» С 20 по 22 ноября в Москве прошли «Дни Арктики». Форум включал в себя научную конференцию «Открытая Арктика», фотовыставку с участием известных фотографов и III Международный фестиваль неигрового кино. Организатор мероприятия – Министерство природных ресурсов и экологии РФ, при поддержке Русского географического общества, Совета Федерации Федерального собрания РФ, Правительства Москвы, МГУ им. М. В. Ломоносова, Российской академии наук. Программа форума была насыщенна и разнообразна. Его ключевым событием стала Международная научная конференция «Открытая Арктика», прошедшая в Центральном доме ученых РАН. В пленарном заседании и работе круглых столов приняли участие заместитель председателя Правительства РФ А. Г. Хлопонин, министр природных ресурсов и экологии РФ С. Е. Донской, президент РАН академик В. Е. Фортов, ректор МГУ им. М. В. Ломоносова академик В. А. Садовничий, сотрудники ведущих российских научных институтов, руководители компаний ОАО «НК «Роснефть», ОАО «Газпром нефть», ОАО «ГМК «Норильский никель», губернаторы арктических регионов, международные эксперты. Участники конференции обсудили вопросы комплексного исследования и изучения Арктики, ее культурного

наследия, перспективы освоения арктической зоны, рационального природопользования, устойчивого развитии региона. На заседании круглого стола «Комплексное изучение Арктики – основа устойчивого развития региона» секции «Климатические изменения в северной полярной области и их возможное влияние на жизнеобеспечение российского сектора Арктики» с докладом «Использование технологий дистанционного зондирования в Арктике» выступил заведующий экспертным отделом ОАО Концерн «Моринсис-Агат» д. ф.-м. н. А. Ф. Бункин. Перспективы дистанционных исследований с помощью новейших технологий были также представлены в еще двух докладах сотрудников концерна. В Мультимедиа Арт Музее состоялась фотовыставка «Арктика», на которой были представлены работы, знакомящие посетителей с современной жизнью и природой полярной зоны. На III Международном фестивале неигрового кино «Арктика» были представлены на конкурс документальные и анимационные фильмы арктической тематики.

ПРОЕКТЫ, РЕКОМЕНДОВАННЫЕ ЭКСПЕРТНЫМ СОВЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ

«ОСВОЕНИЕ ОКЕАНА»

К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ

ОАО «ЦМКБ «Алмаз»* Санкт-Петербург А.А. Пономаренко

*партнер ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

СОЗДАНИЕ СУДНА

ДЛЯ ПОДВОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ НА МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛАХ

Россия, как и другие страны мира, начинает интенсивное освоение морского шельфа. Расширение хозяйственной деятельности в этих районах, в частности, требует создания флота судов отечественной постройки для обеспечения работ на подводных нефтегазопромыслах. В рамках участия в технологической платформе «Освоение океана» ОАО ЦМКБ «Алмаз» приступило к разработке сокращенного технического проекта судна для подводно-технических работ, в том числе и на арктическом шельфе. Постановка задачи Судно для подводно-технических работ пр. 20280 (рис. 1) проектируется на класс Российского Морского Регистра судоходства: KM Arc7 [1] АUT1 DYNPOS‑2 EPP Special purpose ship и предназначено для выполнения следующих задач: • инспекция и ремонт подводных частей морских сооружений; • инспекция и ремонт подводных трубопроводов; • обследование морского дна; • участие в работах по установке на грунт частей подводно-технических сооружений и оборудования нефтепромыслов; • инспекционные и ремонтные работы нефтепромыслового оборудования; • выполнение водолазных работ на глубинах до 300 м; • попутные гидрометеорологические исследования. В качестве дополнительных задач судно должно обеспечивать оказание помощи судам и кораблям, терпящим бедствие, таких как: • передача электроэнергии; • откачка воды собственными техническими средствами;

• участие в работах по ликвидации аварийных разливов нефти и тушении пожара разлитого топлива. Водоизмещение судна будет составлять 7000 тонн, дальность плаванья – порядка 6000 миль, автономность по запасам провизии – 60 суток. Скорость полного хода составляет 18 узлов, а экономического хода – 10 узлов. Предусмотрено размещение основного экипажа в количестве 36 человек и дополнительной экспедиции до 60 человек. Район плавания судна неограниченный, включая арктические моря, доступные по ледовому классу.

Основные положения Судно для подводно-технических работ представляет собой однопалубное стальное судно с корпусом с ледовым усилением ARC7, жилой надстройкой, смещенной в нос, вертолетной площадкой и удлиненным полубаком со значительными площадями открытых частей палуб. Это позволит принимать дополнительное модульное оборудование в контейнерном исполнении в зависимости от задач на рейс и будет актуальным в связи со значительным удалением районов базирования судов от районов добычи.

вид сбоку

вид сверху

Рис. 1. Общий вид судна для подводно-технических работ пр. 20280 59

Рис. 2. Принципиальная схема компоновки глубоководного водолазного комплекса

Рис. 3. Привязные самоходные аппараты инспекционного (вверху) и рабочего (внизу) классов 60

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Уровень автоматизации технических средств судна AUT 1 в соответствии требованиями Российского Морского Регистра судоходства. Исходя из опыта проектирования судов вспомогательного флота для ВМФ на судне предусмотрена единая электроэнергетическая система с системой электродвижения разработки Научно-производственного центра «Судовые электротехнические системы» (НПЦ «СЭС»), состоящая из источников электроэнергии, распределительных щитов, преобразователей и гребных электродвигателей и системой управления и пуска. Энергетическая установка выполнена в соответствии с требованиями Морского Регистра и состоит из четырех дизель-генераторов (ДГ) мощностью 3500 кВт, стояночного ДГ мощностью 800 кВт и аварийного ДГ мощностью 200 кВт. Вспомогательная энергетическая установка состоит из котлоагрегатов и опреснительной установки. Движительно-рулевой комплекс состоит из двух водометно-рулевых комплексов мощностью 3500 кВт, выполняющих функцию рулей в кормовой оконечности (кормовая группа средств активного управления), двух подруливающих устройств туннельного типа мощностью 800 кВт и выдвижной поворотной колонки мощностью 1000 кВт в носовой оконечности (носовая группа средств активного управления). Использование указанных выше технических средств позволяет осуществлять динамическое позиционирование судна для проведения подводнотехнических, водолазных и грузовых работ. Предусмотрено для установки на судне следующее крановое оборудование: • грузовой электрогидравлический кран грузоподъемностью 1000 кН (100 тс), оснащенный глубоководной лебедкой для обеспечения подъема грузов с глубины с устройством стабилизации натяжения; • грузовой электрогидравлический кран грузоподъемностью 125 кН (12,5 тс), оснащенный глубоководной лебедкой, для проведения грузовых операций, отвечающих потребностям судна; • кран-манипулятор грузоподъемностью 7 т, для спуска и подъема автономных необитаемых подводных (АНПА) и других аппаратов. Основная тенденция при работах на подводных нефтегазопромыслах – применение дистанционно управляемых подводно-технических средств. Однако на этапе отработки безводолазных технологий к условиям работы на арктическом шельфе и проведении сложных монтажных и ремонтных операций возникает потребность в проведении водолазных работ. По статистическим данным доля месторождений с глубинами до 300 метров составляет около 94%. Исходя из вышеизложенного можно принять рабочую глубину использования подводно-технических средств в 500 м. Увеличение рабочей глубины до 1000 м позволяет использовать судно:

• для выполнения зарубежных контрактов; • при разработке перспективных месторождений; • в операциях по оказанию помощи аварийным атомным подводным лодкам. Для обеспечения выполнения работ на судне планируются к установке следующие подводно-технические средства: • глубоководный водолазный комплекс с рабочей глубиной до 300 м, с двумя водолазными колоколами и гипербарическим спасательным ботом (рис. 2); • привязной самоходный аппарат инспекционного класса типа «Tiger» (рис. 3) – 1 ед.; • привязной самоходный аппарат рабочего класса типа «Quantum» (рис. 3) – 1 ед.; • автономный обитаемый подводный аппарат типа АРС‑600 (рис. 4) – 2 ед.; • автономный необитаемый подводный аппарат типа «Gavia Scientific» (рис. 4) – 1 ед. Данный аппарат планируется использовать при площадной съемке местности и обследовании подводных трубопроводов. Подводно-технические средства на судне из-за сложных гидрометеорологических условий в районе эксплуатации планируется разместить в эллинге. Спуск аппаратов будет производиться через днищевые шахты и боковые лацпорта.

Выводы Разрабатываемое судно представляет собой универсальную платформу, имеющую высокий модернизационный потенциал. Судно может быть доработано в части исключения излишних и выполнения дополнительных требований заказчика. В качестве основных достоинств проекта можно выделить: • наличие больших по площади открытых частей палубы позволяющих принимать дополнительное модульное оборудование в контейнерном исполнении, что значительно расширяет возможности судна и соответствует мировым тенденциям. • единую электроэнергетическую систему с системой электродвижения, обеспечивающую высокую надежность и экономичность эксплуатации; • движительно-рулевой комплекс, обеспечивающий надежное управление и высокую маневренность во всем диапазоне скоростей движения судна и возможность динамического позиционирования при проведении работ; • ледовое усиление корпуса ARC 7, не имеющее мировых аналогов для судов данного класса; • высокое оснащение подводно-техническими средствами, крановым оборудованием, гидроакустическим

Рис. 4. Автономный обитаемый подводный аппарат (вверху) и автономный необитаемый подводный аппарат (внизу) и радиотехническим вооружением, значительно расширяющее спектр выполняемых судном задач; • размещение подводно-технических средств в закрытом эллинге, обеспечивающее удобство обслуживания и возможность эксплуатации в условиях арктических морей; • наличие на судне автономных необитаемых подводных аппаратов для обследования трубопроводов и поиска протечек, соответствущее мировым тенденциям; • наличие на судне оборудования для оказания помощи аварийным судам и кораблям, позволяющее использовать его как судно обеспечения промысла.

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Омский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института математики им. С.Л. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук Омск Д.Е. Зачатейский

СЕТЬ ДЕКАМЕТРОВОЙ РАДИОСВЯЗИ ДЛЯ АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА РОССИИ

ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»* Омск

Омский государственный технический университет* Омск

В.А. Березовский

В.Л. Хазан

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

В «Основах государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 18 сентября 2008 года (Пр – 1969), говорится о необходимости внедрения современных информационно-телекоммуникационных технологий и средств связи (в том числе подвижных) и создания надежной системы оказания информационных услуг, обеспечивающих эффективный контроль хозяйственной, военной, экологической деятельности в Арктике, а также прогнозирование и предупреждение чрезвычайных ситуаций, снижение ущерба в случае их возникновения, в том числе за счет применения глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. Использование известных УКВ‑систем связи мало эф‑ фективно, так как эти системы связи способны обслужи‑ вать зону с ограниченным радиусом действия (максимум 30 км). Спутниковые системы связи, которые обслуживают за‑ полярную зону и имеют свободный доступ пользователей («Иридиум» и «Глобалстар»), принадлежат зарубежным компаниям. Следовательно, дивиденды от использования российскими абонентами спутниковых сетей связи идут на счета зарубежных компаний. Передача сообщений по спутниковым системам связи обходится пользовате‑ лям довольно дорого, стоимость одной минуты разговора доходит до 10–12 долларов. Абоненты спутниковых сетей связи со свободным доступом пользователей зависят от зарубежных центров управления, отказ которых в пре‑ доставлении услуг связи может привести к непредсказуе‑ мым катаклизмам и является недопустимым. Наиболее рациональными вариантами для организации связи за полярным кругом являются системы, которые используют как средние радиоволны (СВ), обладающие возможностью распространяться за пределы горизонта за счет дифракции, так и короткие радиоволны (КВ), спо‑ собные распространяться на расстояния многих тысяч ки‑ лометров за счет отражения от ионосферы Земли. Радиоволны верхней части СВ‑диапазона (1,5–3 МГц) могут распространяться на сотни километров как зем‑ ной (поверхностной) волной (в дневное время суток), так и волной, отраженной от ионизированных слоев ат‑ мосферы (преимущественно в ночное время суток). Зоны обслуживания СВ‑радиосвязью могут достигать радиуса 500 и более километров даже с помощью относительно

простых магнитных рамочных антенн, которые в отличие от УКВ‑антенн не требуют высоких мачт. При использо‑ вании малогабаритных передающих мобильных вибра‑ торных антенн с помощью носимой СВ‑радиостанции, у которой мощность передатчика не превышает 5 Вт, возможно осуществлять двустороннюю голосовую связь на расстоянии до 50 км, передачу данных – на расстояние более чем 150 км. Если же абонентов разделяют сотни километров, то необходимо использовать декаметровые каналы связи. При организации декаметровых сетей связи необходимо учитывать особенности распространения коротких радиоволн севернее полярного круга [1].

Особенности распространения радиоволн в арктической зоне Все годы существования радиосвязи передача инфор‑ мации на большие расстояния традиционно осуществля‑ лась в диапазоне коротких радиоволн. Это объяснялось особенностями их распространения на дальние и сверхдальние расстояния за счет отражения от ионизирован‑ ных слоев атмосферы. В высоких широтах ионосферная радиосвязь в дека‑ метровом диапазоне радиоволн отличается отсутствием стабильности и более низким качеством, по сравнению со среднеширотными трассами, что обусловлено специ‑ фикой среды распространения – сложной неоднородной структурой полярной ионосферы, формируемой процес‑ сами взаимодействия ионосферы, магнитосферы Земли и возмущений плазмы в межпланетном пространстве. 63

Аномально повышенное поглощение КВ‑радиоволн в полярной ионосфере является одной из главных причин нарушения связи. Различают четыре типа аномального поглощения (АП), каждый из которых соответствует определенной фазе в ходе развития ионосферного возмущения, следующего за вспышкой на Солнце: • внезапное поглощение (ВП), наблюдаемое на всей ос‑ вещенной полусфере Земли, обусловленно эмиссией излучения во время солнечных вспышек; • поглощение полярной шапки (ППШ), которое наблю‑ дается в приполюсной области на широтах, превышающих 60 градусов; • поглощение с внезапным началом (ПВН), возникающее в период внезапного начала магнитной бури в зоне полярных сияний. Оно обусловлено вспышка‑ ми тормозного рентгеновского излучения электронов, высыпающихся в ионосферу АО в результате резкого сжатия земной магнитосферы под воздействием удар‑ ного фронта потока солнечной плазмы (по интенсив‑ ности и продолжительности соответствует эффекту внезапного поглощения) • авроральное поглощение (АП). Поглощения типа ВП и ПВН возникает сравнительно ред‑ ко, имеют малую продолжительность – несколько десятков минут. Поглощение полярной шапки появляется после хро‑ мосферных вспышек на Солнце. Ослабление радиосиг‑ налов может достигать 100 дБ. Интенсивное поглощение КВ‑радиоволн начинается спустя несколько часов после вспышки на Солнце – вначале вблизи геомагнитного полюса, затем постепенно охватывает всю полярную об‑ ласть на широтах. В зависимости от степени освещен‑ ности Солнцем полярных областей Земли поглощение радиоволн в ионосфере уменьшается в течение 2–3 суток до исходного фонового значения. Продолжительность 64

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

поглощения полярной шапки может достигать 10 суток и более. Случаи этого типа поглощения наиболее ча‑ сты днем и редки ночью, разница составляет примерно 4–6 раз. Четкой сезонной закономерности явлений по‑ глощения полярной шапки нет, однако можно отметить наименьшую их вероятность в декабре. Наибольшее чи‑ сло случаев ППШ наблюдается в годы высокой солнечной активности (порядка 15–20 интенсивных событий), в годы низкой солнечной активности этот тип поглощения пра‑ ктически не наблюдается. Авроральное поглощение – наиболее часто встре‑ чающееся явление в высоких широтах, достав‑ ляющее наибольшие трудности в поддержании устойчивой коротковолновой радиосвязи. Вероятность появления АП может достигать 40%. Слу‑ чаи аврорального поглощения в ночное время тесно связаны с полярными сияниями и локальными магнит‑ ными возмущениями. Продолжительность индивидуаль‑ ных случаев АП обычно не превышает двух часов, однако чаще всего оно наблюдается в виде серии событий, на‑ кладывающихся одно на другое. Максимум авроральных поглощений, как по частоте появления, так и по вели‑ чине, приходится на широты 64–67 градусов. Харак‑ терной особенностью этого типа поглощения является существование четкой суточной вариации с двумя мак‑ симумами (дневным и ночным) и вечерним минимумом (18–20 часов местного времени). В сезонном ходе выде‑ ляются два равноденственных максимума, весной и осе‑ нью, из которых наибольший – весенний. Особенности пространственно-временного распределения аврораль‑ ного поглощения определяются уровнем магнитной ак‑ тивности. С ростом магнитной активности центр зоны АП смещается к югу на широты 63–65 градусов, зона расши‑ ряется почти вдвое и дневной максимум с 10–12 часов местного времени смещается на более ранние 6–8 ча‑ сов. По характеру влияние аврорального поглощения

на условия распространения КВ‑радиоволн все трассы можно разбить на три группы. 1. Трассы, целиком проходящие внутри полярной шапки и не пересекающие зоны аврорального поглощения. На таких трассах этот тип поглощения практически отсутствует, и надежность связи может быть близка к 100%, если исключить события поглощения поляр‑ ной шапки. 2. Трассы, у которых хотя бы один из конечных пунктов расположен в зоне АП. На таких трассах наблюдают‑ ся наибольшие нарушения прохождения радиоволн. Хорошие условия связи, когда прохождение дости‑ гает 80–90%, возможны лишь сравнительно ограни‑ ченное время. Ослабление сигналов может достигать 30–60 дБ в зависимости от частоты излучения. 3. Трассы, пересекающие зону аврорального поглоще‑ ния, когда передающий и приемные пункты распо‑ ложены относительно далеко от зоны. В этом случае условия радиосвязи более благоприятные, чем во вто‑ ром случае: на оптимальных частотах прохождение радиоволн составляет 90%. На распространение радиоволн большое влияние ока‑ зывает эффект горизонтальных градиентов, состоящий в появлении нестандартного распространения с откло‑ нением траектории радиоволны от плоскости дуги боль‑ шого круга. Эти азимутальные отклонения траекторий достигают 10–30° и более. У сигналов с азимутальными от‑ клонениями время распространения значительно больше (до 50–100%), чем у нормальных сигналов, распространяю‑ щихся в плоскости дуги большого круга, а их максимальная наблюдаемая частота обычно выше в 1,57 раза. Сигналы с азимутальными отклонениями наиболее часты зимой и в равноденствие. Их появление, как правило, ухудшает радиосвязь, особенно в случае применения остронаправ‑ ленных антенн, а также из-за замираний (фединга) сигналов вследствие появления многолучевости [2]. Таким образом, ввиду большой временной изменчиво‑ сти параметров высокоширотных КВ‑радиолиний, качество соединения с большей вероятностью, чем в других случаях, может быть снижено, и даже возможны случаи полного прерывания связи.

Использование базовых ретрансляторов, удаленных на юг от абонентов, находящихся в арктической зоне, имеет следующие преимущества: 1. Размещение базовых ретрансляторов южнее зоны об‑ служивания на достаточном расстоянии для условий полярной ночи повышает вероятность отражения радиоволн в дневные часы от освещенных областей ионосферы Земли, что расширяет диапазон прохо‑ ждения радиоволн. 2. Возможность развертывания на базовых ретранслято‑ рах системы контроля качества радиоканалов и адап‑ тации радиолиний к изменяющейся ионосферной обстановке нивелирует воздействие на радиолинии свойственных высокоширотной ионосфере интенсив‑ ных ионосферных возмущений. 3. Мероприятия по повышению энергетики радиолинии (использование эффективных направленных антенн, мощных передатчиков, регионально-разнесенных во‑ круг базового ретранслятора приемных центров [4]) являются эффективными способами повышения по‑ мехоустойчивости средств декаметровой радиосвязи. 4. Смещение диапазона прохождения радиоволн в бо‑ лее высокочастотную часть КВ‑диапазона снижает вероятность возникновения зон молчания («мертвых» зон), расширяет возможность маневра частотами, дает возможность использования антенн, имеющих большие значения коэффициента усиления при тех же геометрических размерах. 5. Уменьшение значений дифференциальной задержки между лучами, уменьшение среднего значения коли‑ чества лучей, которыми приходит сигнал, что позво‑ ляет повышать скорость передачи информации при сохранении качества связи. 6. Использование ретранслятора в качестве централь‑ ной программно-управляющей, распределительной, регенерационной и контролирующей станции. 7. Уменьшение мощности абонентских радиостанций, вследствие оптимизации условий приема волн ре‑ транслятором. P, дБ 100

Декаметровая сеть радиосвязи с удаленными ретрансляторами для арктической зоны России

Для повышения коэффициента исправного действия декаметровых каналов радиосвязи, обслуживающих ар‑ ктическую зону, возможна организация двусторонней автоматической радиосвязи между любыми абонентами сети связи, которые находятся в любых точках территории за полярным кругом в любое время года и любое время суток, с помощью удаленных КВ‑ретрансляторов, располо‑ женных вдоль южной границы Российской Федерации [3].

H=99%

H=95% H=80%

20 0

H=50% 1000

2000

3000

4000

L, км

Рис. 1. График зависимости мощности передатчика Р для обеспечения заданной надежности связи H от длины трассы (ЧТ, 282 бит/с, Рош = 0,0001) No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

УФА ОМСК

ВОЛГОГРАД

КРАСНОЯРСК УЛАН-УДЭ НИКОЛАЕВСК-НААМУРЕ

Рис. 2. Размещение базовых КВ-ретрансляторов при обслуживании заполярной зоны России 8. Централизованное распределение частотного резерва и его экономия за счет использования одной несущей частоты для связи с различными абонентами зоны. 9. Возможность организации в составе ретранслятора системы прогнозирования условий распространения и помеховой обстановки в зоне обслуживания. Известно, что наилучшие условия связи в КВ‑диапазо‑ не существуют на односкачковых трассах, которые имеют место, когда между объектами расстояние составляет по‑ рядка 2000–3000 км [5, 6]. Это следует из рисунка 1, заимствованного из [6], где приведен график зависимости мощ‑ ности передатчика, которая требуется для обеспечения заданного качества связи, от расстояния между приемной и передающей стороной радиолинии. На трассах длиной менее 500 км КВ‑радиосвязь без принятия специальных мер практически невозможна. Поэтому целесообразно рассматривать вариант построения КВ‑сети связи для малогабаритных объектов с использованием наземных КВ‑ретрансляторов, которые размещаются от корреспон‑ дентов на расстояниях близких к оптимальным. Удален‑ ный от корреспондентов КВ‑ретранслятор обеспечивает двустороннюю связь между всеми объектами, которые на‑ ходятся в пределах обслуживаемой им зоны и оснащены соответствующей аппаратурой. Наземные ретрансляторы, имея передатчики мощностью порядка 10 кВт и достаточ‑ но эффективные КВ‑антенны, могут работать в режиме, который обычно используется на оптимальных трассах (например, в режиме ОФТ‑500 и ДОФТ‑500). Малогабаритный транспорт лишен возможности иметь мощные радиостанции и полнометражные антенны. Это накладывает определенную специфику на используе‑ 66

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

мую им КВ‑приемно-передающую аппаратуру. Напри‑ мер, в силу ограниченного энергетического потенциала малогабаритного транспорта, максимальная мощность используемого им радиопередатчика может составлять максимум несколько десятков ватт. Кроме того, эффектив‑ ность приемно-передающих КВ‑антенн малогабаритных транспортных средств при ведении двусторонней связи чрезвычайно низка. Выход из данного затруднительного положения может быть найден в снижении скорости передачи сообщений со стороны малогабаритного транспорта до минимально возможного значения, обусловленного стабильностью несущей частоты приемно-передающей аппаратуры ра‑ диолинии и уходом частоты от номинального значения из-за эффекта Доплера, возникающего по причине нес‑ табильности ионосферы. Если ориентироваться на ра‑ боту при односкачковом распространении радиоволн, то можно рассчитывать, что при отражении от ионосферы в зоне ниже полярного круга отклонение частоты от но‑ минального значения из-за эффекта Доплера не превы‑ сит единиц герц. Современные средства радиосвязи имеют опорные кварцевые термостатированные генераторы, обеспечи‑ вающие долговременную стабильность частоты равную порядка 5 единиц восьмого знака. Таким образом, при ра‑ боте в условиях односкачковой трассы на несущих часто‑ тах от 3 до 20 МГц скорость манипуляции несущей частоты может быть снижена без больших энергетических потерь до величины равной единицам-десяткам бит/с. Совре‑ менные методы цифровой обработки сигнала позволяют индивидуально фильтровать радиосигналы «нажатия» и «отжатия» с высокой степенью разрешения по частоте.

В этом случае прием сигналов ЧТ может осуществляться как прием двух сигналов АТ, манипуляция которых про‑ изведена в противофазе по отношению друг к другу [7]. Если использовать индивидуальный прием сигналов на поднесущих частотах, то для их декорреляции в усло‑ виях селективных замираний и наличия сосредоточенных по спектру станционных помех имеет смысл разнести эти частоты по возможности далеко друг от друга, например, на 1500, 3000 или больше Гц, что позволит получить до‑ полнительный энергетический выигрыш, который может достигать значения 10–20 дБ [8]. Снижение скорости ма‑ нипуляции и использование частотного разнесения сиг‑ налов дают возможность обеспечить удовлетворительное качество передачи сообщений со стороны малогабарит‑ ного объекта при использовании маломощных переда‑ ющих устройств и низкоэффективных антенн. С учетом вышеизложенного, можно остановиться на варианте передачи сообщений со стороны абонента в режиме ЧТ‑1500/3000 Гц с электрической скоростью 4–8-16 бит/с. Для размещения КВ‑ретрансляционных пунктов, обес‑ печивающих связь с береговыми центрами, находящими‑ ся вдоль побережья Северного Ледовитого океана, или непосредственно с морскими судами в Северном Ледови‑ том океане, приемлемыми являются города, которые рас‑ положены вдоль южных границ России, например, города Волгоград, Уфа, Омск, Красноярск, Улан-Удэ и Николаевскна-Амуре. В этом случае в зону обслуживания попадает все побережье Северного Ледовитого океана, как показа‑ но на рисунке 2. В течение суток, с изменением условий распространения радиоволн, система связи должна изменять свои рабочие частоты. Количество используемых частот для каждого ретранслятора должно быть равно, как минимум, трем-че‑ тырем, взятым, например, в районе диапазонов 5, 10, 15 и 20 МГц. Посредством периодической оценки перифе‑ рийной радиоаппаратурой качества передаваемых на этих частотах со стороны базовых ретрансляторов сигналов ею

автоматически выбираются приемлемые для данного вре‑ мени суток рабочие частоты, на которых и осуществляется передача сообщений.

Выводы Рассмотренная сеть КВ‑радиосвязи способна решать практически все задачи, которые стоят перед системами мониторинга сухопутного и водного транспорта Крайнего Севера и Арктики РФ, а именно: • автоматически по регламенту, инициативно или по запросу извне передавать по заданным адресам координаты транспорта, определенные с помощью навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, и данные всех систем жизнеобеспечения транспорта на любые расстояния в пределах зоны обслуживания КВ‑сети связи; • передавать сигналы управления от диспетчеров в сто‑ рону транспортных средств; • в случае чрезвычайных ситуаций автоматически (по сигналам от специальных датчиков) и инициа‑ тивно (нажатием специализированной кнопки или педали) передавать сигналы типа SOS или формализо‑ ванные сообщения. Эта же система предоставляет возможность двусторон‑ ней буквенно-цифровой связи между абонентами сети, а через сторонние линии связи – с любыми абонентами. Описанная декаметровая сеть радиосвязи прошла экспертизу в Министерстве информационных технологий и связи Российской Федерации и отраслевого научно-ис‑ следовательского института радио и получила положи‑ тельную оценку: «… по общему мнению проект создания указанной системы является актуальным и может быть реализован на предлагаемых авторами принципах отече‑ ственными предприятиями в достаточно короткие сроки» [Письмо Министерства информационных технологий и свя‑ зи Российской Федерации П 12–962‑ОГ от 22.06.05 г.].

ЛИТЕРАТУРА 1. Хазан В. Л., Дулькейт И. В. Сеть мобильной автоматической радиосвязи с открытым доступом для арктического региона России // Морские информационно-управляющие системы. – 2014. – № 1 (4). – С. 48–53. 2. Мизун Ю. Г. Полярная ионосфера. – Ленинград: Наука, 1980. – 216 с. 3. Хазан В. Л. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи «МАРС» // Техника радиосвязи. – Омск, 1998. – Вып. 4. – С. 59–66. 4. Патент на изобретение № 2336635. Хазан В. Л., Федосов Д. В. Сеть коротковолновой радиосвязи для передачи дискретных сообще‑ ний. Опубл. 20.10.2008. – Бюл. № 29. – 8 с.: ил. 3. 5. Головин О. В., Простов С. П. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи / Под ред. профессора О. В. Головина. – М.: Горя‑ чая линия-Телеком, 2006. – 598 с. 6. Коноплева Е. Н. О расчете надежности радиосвязи на коротких волнах // Электросвязь. – 1967. – № 11. – С. 36–38. 7. Патент на изобретение № 2454015. Хазан В. Л., Калинин А. Н., Романов Ю. В., Лушпай А. В., Азанов А. А. Способ демодуляции частот‑ но-манипулированных абсолютно-биимпульсных сигналов, используемых для передачи информации по коротковолновому ка‑ налу связи. Опубл. 20.06.2012. – Бюл. № 1. – 8 с.: ил. 3. 8. Хазан В. Л. Математические модели дискретных каналов связи декаметрового диапазона радиоволн: Уч. пособ. – Омск: ОмГТУ, 1998. – 106 с.

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Полярная комиссия Русского географического общества Санкт-Петербург

ЗАО «ЦНИИМФ»* Санкт-Петербург А.Р. Шигабутдинов

А.А. Брыксенков

Омский гоcударственный технический университет* Омск

ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Курс»**

И.В. Дулькейт, С.А. Завьялов, А.В. Косых, В.Л. Хазан

В.В. Ханычев

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

Москва

** ОАО Концерн «Моринсис-Агат»

СОЗДАНИЕ ЕДИНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ МОРЕПЛАВАНИЯ В АКВАТОРИИ СЕВЕРНОГО МОРСКОГО ПУТИ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЦИИ РАДИООБОРУДОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Реализация современной высокоэффективной и конкурентоспособной системы морского транспорта в Арктике как основы хозяйственной деятельности в Арктической зоне Российской Федерации невозможна без надлежащей организации системы обеспечения безопасности мореплавания в акватории Северного морского пути, которая должна базироваться на навигационно-гидрографическом обеспечении мореплавания, использовании глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и их функциональных дополнений, установлении систем управления движением судов, функционировании Глобальной морской системы связи при бедствии для обеспечения безопасности, использовании средств автоматической идентификационной системы (АИС), в том числе спутникового мониторинга АИС, установлении системы судовых сообщений. Постановка задачи Реализация информационного взаимодействия различных служб, отвечающих за безопасность мореплавания, позволит обеспечить: • рациональное управление судопотоками, включая пути, предназначенные для судов с опасными грузами; • возможность непрерывного высокоточного местоопределения судов, гарантирующего их движение при любых условиях видимости; • информационное обеспечение судов навигационной и гидрометеорологической информацией по арктическим морям; • контроль местоположения судов и оказание им помощи в чрезвычайных и аварийных ситуациях; • высокую эффективность проведения операций по поиску и спасанию, а также при ликвидации аварий и аварийных разливов нефти;

• надежную радиосвязь с операторами, контролирующими движение в обслуживаемой зоне, а также с береговыми службами и Морскими спасательно-координационными центрами; • информационное обеспечение Администрации Северного морского пути, необходимое для оперативного руководства и контроля плавания судов по Севморпути. Это требует создания единого информационного пространства по обеспечению безопасности мореплавания, состоящего из подсистем сбора, обработки и хранения информации, объединенных в единую систему подсистемой передачи информации. Таким образом, в эпоху глобализации всего общества о системах связи можно говорить только как о некой подсистеме в глобальном информационном пространстве. 69

Данные геоинформационных систем (ГИС) Картографические службы и службы подготовки извещений мореплавателям Портовые власти и лоцманские службы

Другие пользователи

Автоматическая управляющая и информационная система

Службы метеорологии

Служы cистем управления движением судов (СУДС)

Береговая радиостанция Береговая Сеть

Службы безопасности мореплавания и морской безопасности (охраны)

Береговая радиостанция

Внешнний контрольный приемник (NAVDAT)

Береговая радиостанция

Службы поиска и спасания

Береговая радиостанция

Автоматическая система контроля NAVDAT

Рис. 1. Интеграция информационного взаимодействия служб в рамках цифровой системы NAVDAT Примером эффективности использования интегрированных систем радиосвязи, работающих в разных каналах радиосвязи, является Глобальная морская система связи при бедствии для обеспечения безопасности (ГМССБ), представляющая собой комплекс обязательных технических средств и инфраструктуры, а также организационных мер и правил для оказания помощи при бедствии и по обеспечению безопасности мореплавания. Тем не менее, несмотря на свою высокую эффективность, сегодня ГМССБ уже морально устарела. Одним из направлений ее модернизации является внедрение технологий и оборудования цифровой радиосвязи для передачи данных и сообщений электронной почты по СВ/ПВ/КВ-радиосвязи в морской подвижной службе.

Основные положения Одним из эффективных направлений совершенствования управления судоходством в акватории Севморпути является комплексное использование новых спутниковых технологий и технических средств, создание сети контрольно-корректирующих станций дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/GPS и интеграция различных систем радиосвязи с целью построения информационно-коммуникационной сети, зона действия которой охватывала бы Арктическую зону Российской Федерации, включая акваторию Северного морского пути и устьевые участки рек. 70

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Перспективное направление развития системы обеспечения безопасности мореплавания будет основано на внедрении новых технологических платформ, таких как электронная навигация (е-навигация), модернизированная ГМССБ и система передачи цифровых навигационных данных NAVDAT (рис. 1). УКВ‑системы передачи данных в районах Крайнего Севера и Арктики имеют существенное ограничение вследствие повышенного поглощения радиоволн. Применение средневолновых систем связи для этих регионов являются весьма актуальными. Интегрированные цифровые СВ‑радиостанции (рис. 2) могут рассматриваться как альтернатива УКВ‑радиосвязи в условиях отсутствия развитой информационной инфраструктуры [8, 9]. Основной причиной, сдерживающей применение СВ‑радиостанций на судах, являются большие габариты полноразмерных антенно-фидерных устройств, однако сегодня созданы достаточно малогабаритные и эффективные средневолновые антенны (рис. 3), которые могут применяться на судах морского и речного транспорта. Такие антенны являются резонансными, что оправдано для связного оборудования морской подвижной службы, для которой выделены соответствующие участки частотного диапазона и жестко регламентированы частоты радиосвязи применительно к каждому конкретному случаю. В то же время наличие

Габариты рамочной антенны в собранном состоянии: 1450х72х35 мм

Антенны Ноэма СВ-М1 и Ноэма СВ-Б1 Линейные размеры антенн соответственно 50х50х655 мм и 50х50х800 мм, масса – 2,9 кг.

Рис. 2. Интегрированная цифровая СВ‑радиостанция – альтернатива УКВ

Рис. 3. Малогабаритные и эффективные средневолновые антенны Блок цифровой обработки сигнала и транспорта

Радиочастотный блок

Частота гетеродина

Внешняя синхронизация

Шина данных и синхронизирующих сигналов

АЦП

Блок синхронизации

Внешняя синхронизация

SPI Шина

Частота оцифровки сигнала

Перенос на ПЧ и Фильтрация

SPI Шина

Шина данных и синхронизирующих сигналов

Аналоговый приемный тракт с управляемым усилением

Zynq7000

Ethernet Ядро ARM CORTEX-A9 Модулятор

DDR3 Передающий тракт

UART Console

Демодулятор

NAND FLASH

DDS

Рис. 4. Реализация принципа открытой модульной архитектуры со стандартными интерфейсами и единой операционной средой – технология SDR (Software-definedRadio) избирательных свойств антенны позволяет отказаться от систем предварительной селекции сигналов как самостоятельного аппаратного устройства. При этом цифровая обработка сигнала может быть максимально приближена к антенне, а коммутация аналоговых сигналов в системах связи и навигации заменена на коммутацию цифровых потоков.

Ключевым звеном интегрированных систем является цифровая аппаратура, построенная на принципах открытой модульной архитектуры со стандартными интерфейсами и единой операционной средой – технологии SDR (Software-definedRadio) программируемого радио, позволяющая программно конфигурировать технические средства в зависимости от решаемых задач (рис. 4) [2, 10]. No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

∫1

Частотный доступ корреспондентов Б

∫2

∫3

∫4

АСт

∫

SA(t)

∑SА(t)⊕ S<(t))

300 ... 500 км

* ( S*А+Б = ∫ А,Б

i=1

Удаленный РТЛ

SБ(t)

Блок хранения

∫2 АСт

Временные позиции сигналов в групповом потоке S*А+Б t1

S*А+Б = ∑ SА(t)⊕ SБ(t) i=1

Синхросигнал

2500 ... 3000 км Рис. 5. Возможный алгоритм множественного доступа корреспондентов к удаленному ретранслятору (частотно-временной метод) Эти технологии позволяют создавать радиоэлектронное оборудование, соответствующее концепции е‑навигации, вписывающееся в интегрированные мостиковые системы. Они реализованы в конкретных решениях в рамках ФЦП «Развитие гражданской морской техники» (головной разработчик ОАО «ЦНИИ «Курс»). Таким образом, сегодня можно говорить о возможности построения на основе современного цифрового связного оборудования сетей радиосвязи для создания единого информационного пространства в акватории Северного морского пути [11, 12]. При этом модернизированное оборудование ГМССБ может рассматриваться как абонентские терминалы, размещаемые на судах и других подвижных объектах, а береговое оборудование системы NAVDAT – в качестве базовых станций. В результате комплексного объединения базовой сети пакетной передачи данных путем использования стандартизованных сетевых технологий и сетей пакетной радиосвязи появляется возможность построения совмещенной сети на основе единого алгоритма обмена пакетами. Одним из возможных алгоритмов множественного доступа корреспондентов к удаленному ретранслятору является частотно-временной метод (рис. 5), при реализации которого, между абонентской станцией и удаленным ретранслятором выделяются (назначаются) отдельные группы рабочих частот [13]. 72

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Заключение Очевидно, что сегодня назрела необходимость создания единой организационной структуры по руководству в области проектирования и создания систем связи и мониторинга на Крайнем Севере [14]. На единую организационную структуру целесообразно возложить решение задач по координации деятельности: • по разработке и созданию интегрированной системы связи и передаче данных Российской Федерации в Арктической зоне; • по разработке, созданию и развитию средств и территориальных органов использования информации как существующих, так и перспективных систем дистанционного зондирования Земли в интересах развития Арктики; • по созданию единой системы координатно-временного обеспечения России в Арктической зоне. • по формированию общей стратегии развития инфокоммуникационных систем. В прошлом номере опубликована статья, в которой анализировались возможности информационного обеспечения безопасности мореплавания на трассах Севморпути. Данная статья представляет проект реального воплощения подобной системы.

ЛИТЕРАТУРА 1. Общие принципы ГМССБ. Электронный ресурс http://moryak.biz/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=579 2. Дулькейт И. В., Свирский В. М., Шигабутдинов А. Р. Принципы построения системы обеспечения безопасности мореплавания в арктических морях Российской Федерации/Радиотехника, электроника и связь (РЭиС‑2013): Сб. докл. II междунар. научн.-техн. конф.Омск, 1–4 октября 2013. – С. 318–328. 3. Резолюция IMO А.953 (23) А.1046 (27) «Всемирная радионавигационная система». 4. Зоны действия спутниковой связи Инмарсат. Электронный ресурс http://www.google.ru/imgres?imgrefurl=http://www.mvsgt.ru/_ systems/?i=1&tbnid=aufA54yUuYeeEM:&docid=lkbH11hxuLGwUM&h=562&w=800 5. Recommendation ITU-R M.2010 (03/2012) Characteristics of a digital system, named Navigational Data for broadcasting maritime safety and security related information from shore-to-ship in the 500 kHz band. 6. Digital system for broadcasting maritime safety and security-related information in the 500 kHz band (NAVDAT), COMSAR. 16/4/3, January 2012. 7. Recommendation ITU-R M.2058 (02/2014) Characteristics of a digital system, named navigational data for broadcasting maritime safety and security related information from shore-to-ship in the maritime HF frequency band. 8. Дулькейт И. В., Завьялов С. А., Косых А. В. Перспективы использования средневолнового диапазона для информационного обеспечения безопасности мореплавания в акватории Северного морского пути / Связь на Русском Севере: Тезисы докладов конференции. – Москва, 03–04 сентября 2014. – С. 11. 9. Дулькейт И. В., Завьялов С. А., Хазан В. Л. Перспективы использования средневолнового диапазона для информационного взаимодействия хозяйствующих субъектов в Арктике и обеспечения безопасности мореплавания в акватории северного морского пути / Развитие Арктики и приполярных регионов: Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции. – Екатеринбург, 15–16 мая 2014. – С. 181–184. 10. Дулькейт И. В., Патронов К. С., Прохоров П. В., Свирский В. М. Современные тенденции развития оборудования Глобальной морской системы связи при бедствии (ГМССБ) ПВ / КВ‑диапазонов // Морской вестник. – 2011. – № 3 (39). – С. 73–77. 11. Дулькейт И. В., Хазан В. Л. Сеть мобильной автоматической радиосвязи // Морские информационно-управляющие системы. – 2014. – № 1 (4). – С. 48–53. 12. Хазан В. Л. Сеть мобильной автоматической радиосвязи с открытым доступом для арктического региона России. / Развитие Арктики и приполярных регионов: Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции. – Екатеринбург, 15–16 мая 2014. – С. 201–204. 13. Березовский, В. А. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / В. А. Березовский, И. В. Дулькейт, О. К. Савицкий; под ред. В. А. Березовского. – М.: Радиотехника, 2011. – 444 с. 14. Брыксенков А. А. Перспективы развития систем связи и телекоммуникационных систем в обеспечении создания единого информационного пространства в АЗРФ, основные направления их развития на период до 2020 года и дальнейшую перспективу / Связь на Русском Севере: Тезисы докладов конференции. – Москва, 03–04 сентября 2014. – С. 6.

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Свердловский областной союз промышленников и предпринимателей Уральский строительный кластер А. В. Сысоев

СОЗДАНИЕ УРАЛЬСКОГО ПОЛЯРНОГО ТРАНСПОРТНОГО КОРИДОРА

Развитие нефтегазового комплекса на территории Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов в настоящее время вступило в новую фазу. Это прежде всего связано с решениями Правительства РФ об организации транспортировки грузов по Северному морскому пути в объемах 50 млн тонн в год и строительстве на полуострове Ямал порта Сабетта – многофункционального транспортного узла, через который будут не только вывозить сжиженный природный газ, но осуществлять и другие экспортно-импортные перевозки. В рамках этих планов особенно актуальным становится вопрос о создании Уральского полярного транспортного коридора, связывающего порт Сабетта и нефтегазодобывающие предприятия региона с индустриальными центрами Урала и Сибири. Планы по развитию мощной транспортной инфра‑ структуры между Югрой, Ямалом, республикой Коми, Томской, Тюменской, Свердловской областями для луч‑ шего сопряжения арктического фасада России с мощно‑ стями промышленных уральских регионов обсуждаются еще с конца 90‑х годов. Существующий железнодорож‑ ный маршрут от Екатеринбурга до Надыма через Тю‑ мень и Сургут протяжностью более 3 тыс. км не имеет достаточной пропускной способности и выхода в район Салехарда. Возможность поставки грузов водным путем через Иртыш и Обь (так называемый северный завоз) ог‑ раничена сроками навигации в летний период. В северных регионах Уральского федерального окру‑ га осваиваются значительные инвестиционные средст‑ ва: только в 2012 году их объем составил более 1 трлн руб. В ближайшие годы здесь развернется строительст‑ во многих масштабных объектов. В их числе – морской порт Сабетта (рис. 1), объекты для обеспечения добычи углеводородов на арктическом шельфе, завод по произ-

водству сжиженного природного газа, электростанции и энергоблоки, сотни мостов, сотни километров авто‑ мобильных и железных дорог, города и поселки для проживания нефтяников, газовиков, транспортников (только программа по Новому Уренгою предусматривает строительство 1 млн м2 жилья). Все это потребует боль‑ шого количества металлопроката, машиностроительной продукции, металлоконструкций и строительных мате‑ риалов. Участие в поставках для этих проектов позволит существенно увеличить использование производствен‑ ных мощностей предприятий Урала и даст увеличение числа рабочих мест. Только за март-август 2013 года в Ханты-Мансий‑ ский и Ямало-Ненецкий автономные округа поставлено 81,2 тыс. вагонов промышленных грузов из уральских ре‑ гионов. Из них на долю Свердловской области пришлось всего 22 %. Эту ситуацию можно изменить за счет со‑ вершенствования транспортно-логистических потоков и снижения транспортных издержек. Рис. 1. Строительство арктического морского порта Сабетта началось в июле 2012 года в северо-восточной части полуострова Ямал, на западном берегу Обской губы. Его планируется использовать для обеспечения перевалки углеводородного сырья Южно-Тамбейского месторождения и поставок природного газа, нефти и газового конденсата морским транспортом в страны Западной Европы, Северной и Южной Америки и страны Азиатско-Тихоокеанского региона. В перспективе порт Сабетта должен стать многофункциональным. Это позволит вывести большое количество регионов России через Северный морской путь в Мировой океан, повысив тем самым конкурентоспособность российской промышленности и экономики в целом 75

Постановка задачи Создание Уральского полярного транспортного коридо‑ ра имеет исключительное экономическое и геополитиче‑ ское значение для страны, поскольку это обеспечивает: • поддержку военно-стратегической безопасности рос‑ сийского сектора Арктики с его огромным сырьевым потенциалом; • возможность быстрого реагирования в критических ситуациях; • серьезный толчок развитию рынков сбыта продукции Урала и Сибири и, соответственно, росту экономики этих регионов; • ускоренное освоение природных ресурсов Полярно‑ го Урала для обеспечения действующих промышлен‑ ных предприятий, прежде всего, металлургической отрасли.

В предлагаемом варианте Уральский полярный тран‑ спортный коридор становится надежной транспортной ар‑ терией для перевозки: • продукции Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов в районы Урала, Сибири и Цен‑ тральной Азии; • строительных материалов, оборудования и продо‑ вольствия, производимых на предприятиях Урала и Сибири, для обеспечения потребностей северных регионов: • экспортно-импортных товаров, поставляемых через порт Сабетта и Северный морской путь. Задача предполагает создание развитой инфраструкту‑ ры с учетом перспективы значительного роста грузопо‑ токов и использования различных способов перевозок. Реализованный транспортный коридор улучшит логисти‑ ку и откроет новые возможности для сбыта продукции российской промышленности

Необходимые решения по реализации проекта Принимаемые комплексные решения по разработке и реализации проекта Уральского полярного транспортно‑ го коридора основаны на необходимости задействовать три вида транспорта, и это потребует строительства и ре‑ конструкции ряда транспортных объектов (рис. 2). Автомобильный маршрут: • строительство дороги Серов – Ивдель – граница ХантыМансийского автономного округа – Приобье – ХантыМансийск; • строительство моста через Обь, автомобильного моста в поселке Андра и открытие автодороги от Приобья до Надыма.

Железнодорожный путь: Серов – Приобье Серов – Приобье Салехард – Сабетта Водный путь: Приобье – Салехард – Сабетта – Приобье – Сургут Автомобильный путь: Приобье – Надым Ивдель – Ханты-Мансийск Ивдель – Ханты-Мансийск Рис. 2. Карта развития Уральского полярного транспортного коридора 76

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Водный путь: • обеспечение речных перевозок от порта Сергино до порта Сабетта; • расширение порта Сергино и увеличение объема перевалки грузов с 1 млн до 10 млн тонн в год; • строительство логистических центров в районе Приобья и порта Сергино для организации зимних завозов. Железнодорожный путь: • строительство железной дороги Ивдель – Обская – порт Сабетта для обеспечения возможности тран‑ спортировки импортно-экспортных товаров с учетом строительства многофункционального порта Сабетта и активизации перевозок по Северному морскому пути. Описанные решения также тесно взаимосвязаны с пер‑ спективой поддержки, восстановления, развития и строи‑ тельства целого ряда транспортных маршрутов и объектов:

Рис. 3. Коммерческая экспедиция «Тюмень – Сабетта – Китай», организованная в 2013 году Российским Союзом промышленников и предпринимателей позволила впервые испытать потенциал новой транспортной схемы. Для Ямала, Югры и Тюменской области это первый практический опыт по доставке грузов Севморпутем. Задачей коммерческих предприятий, принявших участие в экспедиции, стала оценка всей логистики, себестоимости перевалки товаров Северным морским путем, его коммерческой эффективности. Центральным звеном в этой цепи выступил порт Сабетта, с которым связаны перспективы развития не только Ямала, но многих регионов России • Северный морской путь (рис. 3); • многофункциональный порт Сабетта с перевалкой экспортно-импортных грузов, в числе которых бу‑ дут не только продукты нефтегазового комплекса, но и металлы, оборудование, строительные мате‑ риалы; • порт Сергино, обеспечивающий возможность достав‑ ки грузов водным путем по маршрутам «порт Серги‑ но – порт Салехард» (500 км), «порт Сергино – порт Сабетта» (река-море), «порт Сергино – порт Сургут» (500 км); • логистические центры в районе Приобья (по типу порта в Сургуте); • автомобильная дорога от Ивделя до Надыма, которая предполагает строительство моста через Обь в райо‑ не поселка Андра. Уже сегодня эксплуатация автомо‑ бильной дороги Ивдель – Югорск сократила время доставки грузов до 1,5 часа вместо прежних 8 часов, а грузопоток увеличился до 20 тысяч машин в сутки. Главное – должно быть принято решение о строитель‑ стве железной дороги Ивдель – Полуночное – Обская протяженностью 831 км. Ее дальнейшее развитие пред‑ полагает прокладку пути Салехард – Бованенково – Порт Сабетта (отвод к порту 200 км) (рис. 4). Фактически Сабетта будет единственным многофун‑ кциональным портом на всем протяжении от Мурманска до Владивостока. Он должен быть ориентирован на эк‑ спортно-импортные перевозки, а также стать базовым с геополитической точки зрения – для защиты наших арктических территорий. В то же время его нужно тесно

связать с Уралом, Сибирью, благодаря чему экспортные грузы из этих регионов пойдут наиболее коротким путем через Север, что значительно сократит сроки и снизит расходы при их поставке как в Европу, так и в Азию. Новый путь через Ивдель и Обскую с выходом на Са‑ лехард и порт Сабетта сократит расстояние доставки то‑ варов до потребителей на полуострове Ямал более чем в три раза – с 3,5 до 1 тыс. км. Образно говоря, предла‑ гаемый транспортный коридор – это дверь, через кото‑ рую предприятия промышленного Урала смогут войти на рынки Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого авто‑ номных округов и на международные морские линии, что обеспечит резкий подъем всей экономики Уральского федерального округа. Уральским промышленным регионам необходимо в свою очередь освоить «карту потенциальных потребителей» продукции металлургических, машиностроитель‑ ных предприятий, заводов металлоконструкций, продук‑ ции стройиндустрии и карту того, что могут поставить предприятия регионов с учетом особых требований по качеству для условий низких температур. Точное знание рынка северных регионов позволит пра‑ вильно составить планы развития промышленного потен‑ циала Урала в соответствии с реальными возможностями сбыта. Строительство новых производственных объектов во многих случаях начинается без ясного понимания, кто будет реальным покупателем продукции, и, самое глав‑ ное, фактически подрывая бизнес действующих пред‑ приятий, которые выпускают ту же самую номенклатуру. Даже сегодня, в условиях не самой благоприятной ры‑ ночной ситуации, в Свердловской области строится ряд No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 4. Сегодня на Ямале уже реализовано строительство железной дороги на отрезке Обская – Бованенково новых заводов, хотя существующие производства анало‑ гичного профиля используются на 60–70 %, а то и на 30 % от проектной мощности. Существование множества од‑ нотипных производств еще не означает конкуренции. Наоборот, это только распыляет силы и ресурсы, которые целесообразно сосредоточить на освоении продукции, которая будет превосходить не только отечественные, но и импортные аналоги. В российской практике нет достаточного организа‑ ционного опыта и методологии систематизированно‑ го продвижения товаров из одного региона на рынки другого региона. Среди основных проблем, которые предстоит в связи этим решать – отработка взаимодей‑ ствия между ОАО «Газпром», нефтяными компаниями и ОАО «РЖД». У российских естественных монополий и компаний топливно-энергетического комплекса суще‑ ствуют свои принципы и регламенты, особая менталь‑ ность и особенные методы работы на рынке, которые нельзя не учитывать. К этим партнерам должен приме‑ няться дифференцированный подход, а для этого нужны регулярные встречи различного формата, в том числе с участием представителей органов власти регионов, входящих в Уральский федеральный округ, с тем чтобы в режиме диалога поэтапно выстроить параметры дело‑ вой кооперации. Модели и схемы могут быть различны‑ ми – важен результат. 78

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Кроме того, для оценки изменения ситуации в тран‑ спортной логистике и увеличения грузопотока в се‑ верном направлении и сближении экономик регионов потребуется организация встреч представителей про‑ мышленных групп из машиностроения, стройиндустрии, металлургического комплекса, легкой и пищевой про‑ мышленности, в том числе для подготовки долгосрочных договоров на поставку товаров. Напрашивается создание единого информационного центра для обобщения, ана‑ лиза и предоставления инвесторам и промышленным и транспортным предприятиям данных о том, какая имен‑ но продукция будет востребована, и, следовательно, ка‑ кие именно производства строить. Активизировать работу по завоеванию рынков сбы‑ та можно через ассоциации машиностроителей, союзы предприятий стройиндустрии и другие отраслевые объе‑ динения. Качественно улучшить дело позволяет кластер‑ ная система. С 2012 года в Свердловской области создан ряд кластеров, благодаря чему уже по некоторым терри‑ ториям производство увеличилось в 4,5 раза.

Выводы В условиях текущих экономических тенденций, когда предприятия Урала теряют экспортные рынки, закрываются алюминиевые заводы, производители других ме‑

Рис. 5. Металлургическая продукция Уральских предприятий. Синарский трубный завод, Каменск-Уральский таллов также испытывают трудности, а железная дорога, вынужденная постоянно повышать транспортные тарифы, рискует потерять львиную долю металлургических грузов вовсе – развитие предлагаемого проекта создает условия для подъема экономики задействованных регионов. Более доступные и близкие пути на глобальный рынок создают конкурентные преимущества не только по каче‑ ству продукции или цене, но и в части быстроты и деше‑ визны транспортных перевозок. Реализация Уральского полярного транспортного коридора позволит регионам Уральского федерального округа не только выйти на ве‑

дущие места по социально-экономическому развитию но, самое главное, создаст новые рабочие места и условия для наполнения бюджетов всех уровней. Основным начальным организационным мероприятием видится принятие федеральной программы развития северных территорий Уральского федерального округа (такой же, как была принята по Сахалину), что предус‑ матривает сразу целый ряд масштабных мероприятий в направлении развития новых возможностей межрегио‑ нального и экспортного рынков.

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Институт математики и механики им. Н.Н. Красовского УрО РАН Екатеринбург

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина* Екатеринбург

М.Ю. Филимонов

Н.А. Ваганова * участник Технологической платформы «Освоение океана»

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЛАЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ДОЛГОСРОЧНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН И РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ НА СЕВЕРНЫХ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ Территории вечной мерзлоты очень важны для экономики России, так как здесь добывается около 93 % природного газа и 75 % нефти, что в стоимостном исчислении обеспечивает до 70 % экспорта страны. Оттаивание насыщенных льдом пород из-за потепления климата и различных техногенных воздействий ведет к просадкам земной поверхности и развитию опасных мерзлотных геологических процессов. Основная цель исследований – разработка математических моделей и пакетов прикладных программ, применение которых позволит уменьшить влияние техногенных и климатических факторов различных технических средств, являющихся источниками тепла, на вечную мерзлоту и таким образом затормозить ее деградацию. Многолетнемерзлые породы (ММП) занимают около 25 % всей суши земного шара. В России эти территории занимают около 60 % общей площади, на Аляске – 80 %, в Канаде – 50 %. Высокогорные районы также могут находиться в зоне вечной мерзлоты. Например, в Китае эти районы составляют 11 % всей территории, а в Австрии – 2 %. В России запасы подземных льдов криолитозоны, занимающей площадь 10 млн км2, составляют около 19000 км3, что дает право называть вечную мерзлоту подземным оледенением. Кроме того, Россия обладает примерно 21 % шельфа Мирового океана (свыше 6 млн км2), более 60 % этой зоны являются наиболее перспективными и доступными для бурения. Общепризнан высокий углеводородный потенциал шельфа России – суммарные извлекаемые ресурсы оцениваются многими ведущими отечественными специалистами более чем в 100 млрд тонн условного топлива. При этом наибольший объем, около 90 %, сосредоточен в арктических морях, в которых распространены подводные многолетнемерзлые породы [1]. Воды арктических морей очень холодны, на многих участках фиксируются

даже отрицательные температуры (от –0,5 °C до –1,5 °C) придонной воды. Многолетнемерзлые породы шельфов делятся на два типа [2]: ледниковый (Баренцево и Карское море) и внеледниковый (море Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское моря). Их северная граница фиксируется на расстоянии 250–500 км от берега. Зоны распространения ММП и их мощность на шельфе Арктики наиболее хорошо изучены в районах нефтегазопоисковых исследований. Бурение показало, что мощность морских многолетнемерзлых пород может составлять до сотен метров, особенно в восточных морях российской Арктики. Изучение мерзлоты на шельфе важно для поиска газогидратных месторождений, поскольку само существование этой субстанции возможно лишь в относительно узком термодинамическом диапазоне, характеризующемся высоким давлением и низкой температурой. Вытаивание льда из пород вечной мерзлоты вследствие потепления климата или техногенных воздействий может привести к просадкам земной поверхности – опасному геологическому процессу, называемому термокарстом. Так, из-за уменьшения несущей способности фундаментов 81

приходится сносить десятки многоэтажных домов, по причине морозного пучения только в 2007–2009 годах срезано около 8 тысяч опор для газопроводов на территории Ямбургского газоконденсатного месторождения, около 40 % всех инженерных сооружений в криолитозоне подвергаются деформации. По зарубежным данным, Газпром ежегодно тратит более 1,9 млрд долларов на восстановление инфраструктурных объектов, пострадавших в результате растепления многолетнемерзлых пород. Различные сценарии изменения климата показывают, что глобальное потепление в полярных регионах будет нарастать и, усиленное техногенными воздействиями, может привести к значительной деградации ММП [3]. Проектирование и строительство рабочих площадок с добывающими скважинами в криолитозоне имеют свою специфику. Российским строительным стандартом считается, что две скважины не могут быть пробурены на расстоянии друг от друга меньшем, чем два радиуса растепления (то есть на расстоянии от каждой из скважин до нулевой изотермы с учетом их эксплуатации в течение 25–30 лет). Добыча нефти и газа оказывает существенное влияние на многолетнемерзлые породы, так как выделение тепла от горячей нефти, нагревающей трубы в скважинах, приводит к растеплению этих пород, что, в свою очередь, может приводить к авариям и даже к разрушению скважин. 82

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Таким образом, исследования и работы, связанные с долгосрочным прогнозированием изменений в ММП в северных районах и арктическом шельфе под влиянием технических и климатических факторов, должны способствовать обеспечению безопасного и оптимального освоения северных нефтегазовых месторождений при возведении различных промышленных объектов и жилых зданий в зонах вечной мерзлоты.

Постановка задачи и математическая модель При моделировании нестационарных тепловых полей, например, на нефтегазовых месторождениях (кустовых площадках), расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород, требуется учитывать различные климатические, физические и техногенные факторы. К первой группе факторов относятся солнечное излучение, сезонное изменение температуры воздуха, приводящее к периодическому протаиванию/промерзанию грунта, и возможный снежный покров. Ко второй – теплофизические параметры грунтов, меняющиеся в зависимости от влажности, их неоднородность и температура. К третьей – возможные источники тепла от добывающих и нагнетательных скважин, факельных систем (если сжигается попутный газ, например, при добыче нефти),

трубопроводов, фундаментов сооружений и т. п. Кроме этого, необходимо учитывать и теплофизические параметры применяемой теплоизоляции, а также различных устройств, например, сезонно действующих охлаждающих устройств, используемых для термостабилизации (охлаждения) грунта. В соответствии с работами [4–7] предложена математическая модель для долгосрочного прогнозирования последствий освоения и эксплуатации нефтегазовых месторождений, расположенных в зонах распространения многолетнемерзлых пород, а также на арктическом шельфе. Моделирование процессов распространения тепла в грунте сводится к решению в области Ω (рис. 1) трехмерного уравнения контактной (диффузионной) теплопроводности с неоднородными коэффициентами, включающее локализованную теплоемкость фазового перехода – подход, позволяющий решать задачу типа Стефана, без явного выделения границы фазового перехода. Уравнение имеет вид: (1) с учетом начального условия распределения температуры в грунте:

Здесь ρ=ρ (x, y, z) – плотность [кг/м3], T*=T* (x, y, z) – температура фазового перехода, сν (T)=

– удельная теплоемкость [Дж/кг • К],

λ (T)=

коэффициент теплопроводности [Вт/м • К],

k=k (x, y, z) – теплота фазового перехода, δ – дельтафункция Дирака. Баланс тепловых потоков на дневной поверхности z=0 определяет соответствующее нелинейное граничное условие: (3) Для определения параметров, входящих в краевое условие (3), разработан итерационный алгоритм, учитывающий географические координаты конкретного месторождения, литологию грунта и другие особенности выбранного места.

ТЕПЛООБМЕН

СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

(2)

ИЗОЛЯЦИЯ

Рис. 1. Схема расчетной области No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

2 0 -2

T, °C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

-4 -6 -8 -10 -12 -14 -16

Рис. 3. Распределение температуры в грунте в зависимости от глубины

В условии (3) показатели интенсивности солнечной радиации и сезонных изменений температуры воздуха берутся из данных метеостанций либо задаются на основании открытых климатических данных NASA. На рисунке 2 представлены исходные данные для конкретного нефтегазового месторождения. 100

q, дВт/(м2 с) Tair' °C

90 70 50 30 10

декабрь

ноябрь

октябрь

сентябрь

август

июль

июнь

май

апрель

март

февраль

-30

январь

-10

Рис. 2. Интенсивность солнечной радиации (красный) q и средняя температура воздуха (синий) по месяцам Tair для заданного географического места Остальные параметры, входящие в условие (3), определяются с учетом данных геофизических исследований для конкретного нефтегазового месторождения. На рисунке 3 представлены данные разведочной скважины о распределении температуры в грунте в конкретный момент времени. 84

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

Применяя разработанный итерационный алгоритм для определения некоторых параметров, входящих в нелинейное граничное условие (3), удается их так определить, чтобы распределение температуры в грунте, найденное при решении уравнения (1) – (3), периодически повторялось в течение нескольких следующих лет, что опосредовано позволяет учесть различные климатические и природные особенности рассматриваемого географического места.

Результаты численного моделирования На основе модели (1) – (3) разработан комплекс программ Wellfrost V 1.3, на который было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660988 от 4 декабря 2012 года (авторы Ваганова Н. А., Филимонов М. Ю.). Данный комплекс программ был апробирован на восьми нефтегазовых месторождениях, расположенных в зоне вечной мерзлоты, для обустройства которых были разработаны на основании численных расчетов по пакету Wellfrost соответствующие Регламенты, прошедшие техническую экспертизу и утвержденные в Ростехнадзоре. В декабре 2012 года численные результаты, выполненные по программе Wellfrost, по моделированию нестационарных тепловых полей от добывающих скважин были переданы ЗАО «Нордэко Евразия» (Москва), которое занималось мониторингом динамики растепления многолетнемерзлых пород на месторождении «Русское». В ходе сравнения численных и экспериментальных данных о нахождении границы растепления ММП (нулевой изотермы в грунте) от нагнетательной скважины, эксплуатируемой 3 года, было показано, что численные результаты с точностью до 5 % совпадают с экспериментальными данными, что позволяет считать разработанный алгоритм и пакет программ Wellfros эталоном для тестирования различных других методик. Приведем некоторые численные расчеты, полученные для ряда российских северных нефтегазовых месторождений.

z, °C

(а)

(б)

x, m

Рис. 4. Эксплуатация в течение 6 лет пары скважин и остывание одной скважины: (а) – момент отключения, (б) – год после остановки, вертикальные срезы вдоль осей скважин

z, °C

(а) x, m

(б) x, m

Рис. 5. Эксплуатация в течение 6 лет пары скважин и остывание одной скважины: (а) – 2 года после остановки, (б) – 3 года после остановки, вертикальные срезы вдоль осей скважин На рисунках 4 и 5 представлены температурные поля (срезы в плоскости xz) для двух рядом расположенных скважин, по которым добывалась нефть с температурой 40 °С. В качестве теплоизоляции для этих скважин использовались термокейсы до глубины 22 метров. Температура многолетнемерзлых пород ниже влияния сезонных изменений температур (глубже 10 метров) составляла –0,7 °С. Эксплуатация скважин проводилась в течение 6 лет, затем левая скважина останавливалась, а правая продолжала работать. На рисунке 6 представлены движения нулевых изотерм от левой скважины, которая работала 6 лет, а потом в течение 6 лет остывала, испытывая влияние правой работающей скважины.

Для минимизации влияния источников тепла (скважин) на ММП используются теплоизоляционные материалы, различные способы эксплуатации месторождений и устройства для термостабилизации грунта. При моделировании термостабилизации в расчетную область добавляются сезоннодействующие охлаждающие устройства, которые за счет физических законов в холодное время года охлаждают грунт, а в теплое – не работают. На рисунках 7 (а) и 8 (а) представлены тепловые поля (в плоскости xy на глубине 10 метров) от работающих скважин, на рисунках 7 (б) и 8 (б) – результаты численных расчетов по термостаблизации грунта с использованием 4-х охлаждающих устройств, расположенных вокруг скважин. No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

(а)

z, °C

(б)

z, °C

x, m

y, m

Рис. 6. Движение фронта растепления в течение 6 лет: (a) – от работающей скважины, (б) – к остывающей скважине

(а) x, m

(б) x, m

Рис. 7. Термостабилизация грунта вокруг скважин в течение 2 лет: (а) – без использования сезоннодействующих охлаждающих устройств, (б) – с использованием сезоннодействующих охлаждающих устройств, горизонтальные срезы на глубине 10 метров Планируется, что разработанные численные методики и алгоритмы будут адаптированы для суперЭВМ и интегрированы в создаваемую облачную среду для проведения удаленных вычислений для решения поставленных задач и сокращения времени счета. При этом большое внимание будет уделено и разработке специального интерфейса, позволяющего пользователю, не являющемуся специалистом в области вычислительной математики, проводить расчеты с использованием минимального числа исходных данных (например, 15‑ти числовых параметров), которые он может задать даже с сотового телефона, отправить их на суперЭВМ для проведения расчета и получить на телефон заказанную информацию (например, значение радиуса растепления через заданный период эксплуатации скважины или графическую информацию о распределении температурных 86

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

полей в грунте). При развитии описанных выше моделей и численных методик планируется следующее: 1. Разработка математических моделей и новых вычислительных технологий для долгосрочного прогнозирования изменений в арктических и северных районах России при различных сценариях техногенного и климатического воздействия, проведение исследований адекватности и корректности предложенных моделей путем сравнения с экспериментальными данными. 2. Создание пакетов прикладных программ и удобного интерфейса для удаленного доступа при комплексном моделировании на суперЭВМ нестационарных трехмерных температурных полей в многолетней мерзлоте от различных технических систем с учетом их взаимного влияния (например, полного трехмерного

y, m

(а)

(б)

x, m

Рис. 8. Термостабилизация грунта вокруг скважин в течение 8 лет: (а) – без использования сезоннодействующих охлаждающих устройств, (б) – с использованием сезоннодействующих охлаждающих устройств, горизонтальные срезы на глубине 10 метров моделирования температурных полей на кустовой площадке северного нефтегазового месторождения со всеми имеющимися на ней объектами) с учетом наиболее существенных физических и природных факторов, приводящих к нелинейным граничным условиям в используемых моделях. Включение в разрабатываемые пакеты программного модуля по расчету допустимых нагрузок на ствол скважины для предотвращения возможных аварий. 3. Создание рабочей группы по организации аутсорсинговых «облачных» услуг при проведении удаленных вычислений на суперЭВМ потенциальными заказчиками, не обладающими необходимыми навыками математика-вычислителя, т. е. включение интеллектуального потенциала разработчиков программ для помощи пользователям, который для них останется не замеченным.

Выводы Проведение численных расчетов по обустройству кустовых площадок позволяет повысить безопасность и эффективность работы северных нефтегазовых месторождений за счет оптимального расположения скважин и других технических систем на этой территории и дает ощутимый экономический эффект уже на этапе проектирования. Например, для Сузунского и Тагульского нефтегазовых месторождений на основании расчетов, проведенных в 2010 году, были выработаны рекомендации по отсыпке площадок, давший экономический эффект более 60 млн рублей. В 2012 году проведенные расчеты позволили сократить на 50 % размер рабочих площадок для размещения устьев добывающих нефтяных скважин для Восточно-Уренгойского ЛУ Валажинской залежи.

ЛИТЕРАТУРА 1. Богоявленский В. И. Перспективы и проблемы освоения месторождений нефти и газа шельфа Арктики // Бурение и нефть. – № 11. – 2012. – С. 4–14. 2. Гаврилов А. В. Типизация арктических шельфов по условиям формирования мерзлых толщ // Криосфера Земли. – 2008. – Т. XII. – № 3. – С. 69–79. 3. Nelson F. E., Anisimov O. A., Shiklomanov N. I. Climate Change and Hazard Zonation in the Circum-Arctic Permafrost Regions // Natural Hazards. – Vol. 26. – 2002. – P. 203–225. 4. Filimonov M.Yu., Vaganova N. A. Simulation of thermal fields in the permafrost with seasonal cooling devices // Proceedings of the Biennial International Pipeline Conference IPC. –Vol. 4. –2012. – P. 133–141. DOI: 10.1115/IPC2012–90287. 5. Filimonov M. Y., Vaganova N. A. Simulation of thermal stabilization of soil around various technical systems operating in permafrost // Applied Mathematical Sciences.–Vol. 7. – № (141–144). – 2013. – P. 7151–7160. DOI: 10.12988/ams.2013.311669. 6. Ваганова Н. А., Филимонов М. Ю. Прогнозирование изменений в вечной мерзлоте и оптимизация эксплуатации инженерных систем // Вестник НГУ. Сер. Математика, механика, информатика. – Т. 13. – № 4. – 2013. – С. 37–42. 7. Mikhail Filimonov and Nataliia Vaganova. Prediction of changes in permafrost as a result technogenic effects and climate // Academic Journal of Sсience. – Vol.– 3. № 1.– 2014. – P. 121–128.

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина* Екатеринбург

Институт экологии растений и животных УРО РАН Екатеринбург

Н. В. Малыгина

К. В. Маклаков

* участник Технологической платформы «Освоение океана»

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ Сохранение малых народов Севера непосредственно связано с сохранением среды их обитания. Основным биоресурсом для коренных малочисленных народов Таймыра является популяция северного оленя. С благополучием данной популяции непосредственно связаны жизнь и будущее целого ряда малочисленных народов. Популяции дикого северного оленя угрожает как чрезмерная промысловая нагрузка (отстрел), так и нарушение кормового баланса из-за промышленной нагрузки и связанной с ней деградацией кормовой базы оленей (растительности). Оба эти фактора могут контролироваться с помощью современных методов дистанционного мониторинга. Контроль численности популяции дикого северного оленя, а также пути миграции отдельных стад можно производить с помощью спутниковой фотографии. Методики эти известны и хорошо отработаны. Более сложный вопрос – борьба с незаконной охотой на дикого оленя, проще говоря, с браконьерством. Кроме традиционных методов привлечения к ответственности – борьбы с коррупцией, пресечение нелегальной торговли и т. д., здесь уместно применение современных технических средств контроля, включая наблюдение за стадами в криминогенных районах с беспилотных летательных аппаратов с фиксацией преступлений и формированием доказательной судебной базы. Анализ динамики кормовой базы оленей – важная область приложения современных методов дистанционного контроля. Современная спектрозональная спутниковая съемка позволяет с большой точностью определять видовое разнообразие растительности и следить за его динамикой. Для более детального изучения и контроля биоты также уместно применение беспилотников. Оснащенные современной лидарной аппаратурой беспилотники могут осуществлять контроль за температурно-влажностным режимом почв, на основании чего можно делать достаточно обоснованные прогнозы кормовой базы и миграции стад оленей. Таким образом, на основе современных дистанционных методов контроля параметров окружающей среды и специализированных геоинформационных систем возможно создать методику прогнозирования миграции дикого северного оленя и его продуктивности, что в большой степени определяет жизнь и поведенческие механизмы малочисленных народов Севера [1].

Цель проекта: поддержание благосостояния и выживания аборигенного населения северных регионов в условиях природных и социальных трансформаций и усиления промышленного освоения Арктических территорий. Подцели проекта: 1. Сохранение наземных экосистем Таймыра на основе мониторинга и контроля: • состояния популяции дикого северного оленя как основного биоресурса для коренных малочисленных народов Таймыра; • состояния растительности тундры как кормового ресурса для диких северных оленей; • климатических изменений и их влияний на экосистемы и хозяйственный уклад малых народов; • влияния промышленных объектов на экосистемы и хозяйственный уклад коренного населения. 2. Разработка мер по поддержанию устойчивости социально-экологической системы Таймыра через: • системный анализ социально-экономического состояния коренных народов, проводимый на основании моделирования и количественных характеристик основных факторов и ресурсов, определяющих благосостояние, демографическую динамику и численное соотношение народов Севера; • разработку нормативно-правовых мер в области природоохранной и культурной политики по сохранению и поддержанию благосостояния коренных малочисленных народов. Методы. Системно-экологический анализ на основе моделирования социально-экономического состояния народов Севера и популяции дикого северного оленя как 89

Рис. 1. Район исследований

Дикие северные олени на водной переправе (Восточный Таймыр, р. Хатанга) основного биоресурса в Таймырском автономном округе (рис. 1). В настоящее время подбор параметров и точный анализ системной динамики стал возможен благодаря развитию вычислительной техники и разработке средств имитационного моделирования. В частности, при выполнении проекта планируется применять программный пакет для имитационного моделирования AnyLogicUniversity отечественной разработки [2]. Интенсивно развивается применение спутникового зондирования для определения чистой первичной продукции, индекса листовой поверхности и других параметров растительного покрова. На настоящий момент дистанционное зондирование Земли является фактически единственным способом, который позволяет регулярно получать информацию о продуктивности растительности, как на глобальном, так и региональном уровнях. Большинство моделей дистанционного зондирования Земли для оценки чистой первичной продукции используют зависимость уровня первичной продуктивности от эффективности усвоения фотосинтетически активной радиации. Во многих работах было показано, что при идеальных условиях уровень чистой первичной продукции линейно зависит от уровня фотосинтетически активной радиации. Разработан ряд моделей, использующих эту зависимость, таких как CASA, 90

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

GLO-PEM, SDBM, TURC, SIB2, MODIS-NPP. Однако все эти модели были разработаны для глобального масштаба и являются слишком общими, например, в модели MODIS-NPP вся территория суши разделена на 13 биомов. Понятно, что при таком глобальном подходе региональные оценки будут иметь большие погрешности. Пере- и недооценка может быть еще больше, если работать на региональном уровне [3]. Поэтому для региональных оценок требуется калибровка метода спутникового зондирования наземными измерениями чистой первичной продукции в ходе экспедиционных работ. Современным средством учета и слежения в локальном масштабе, и в частности в Арктике, становятся беспилотные летательные аппараты. Их применение в учете численности, а в перспективе и охране северных оленей от браконьерского отстрела даст широкий набор возможностей для изучения и регулирования популяции. Эти инновационные технологии требуют своего освоения, апробации, обучения обслуживающего персонала, что является заделом на будущее развитие. Представление предварительных результатов работы на международных конференциях и публикации в рецензируемых, в том числе и зарубежных изданиях, позволяют сделать вывод о том, что планируемое исследование соответствует мировому уровню.

Природа Таймыра Таблица 1 Валовой запас кормов по ботанико-географическим регионам Восточного Таймыра [17] Площадь Ботаникозон и географические подзон, регионы тыс. га

Запас кормов в воздушно-сухом состоянии, т лишайниковые

травы

ивы / ерник

на 1 га

всего

на 1 га

всего

на 1 га

всего

всего зеленых кормов

1. Полярные пустыни

1 264

нет

0,1

126 400

0,02 / -

25 280 / -

151 680

2. Арктические тундры

3 828

0,04

153 120

0,22

842 216

0,04 / -

153 120 / -

995 336

3. Северные и 6 260 средние тундры

0,065

406 900

0,24

1 502 400

0,07 / 0,05

438 200 / 313 000

2 253 600

4. Южные тундры

1 848

0,09

166 320

0,24

443 520

0,13 / 0,05

240 240 / 92 400

776 160

Итого

13200

726 340

2 914 536

856 840 / 405 400

4 176 776

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Экологические перспективы промышленного освоения Таймыра Имеющиеся данные по популяции дикого северного оленя на Таймыре свидетельствуют о том, что основным фактором, определяющим снижение численности оленей, является браконьерство, которое в сочетании с нерегулируемым коммерческим отстрелом может привести к необратимым последствиям. В основном в виде браконьерства и беспокойства стад от присутствия человека проявляется антропогенное влияние на дикого северного оленя при промышленном освоении региона. Данные авторов проекта по динамике численности популяции диких северных оленей позволяют говорить о существовании естественной саморегуляции популяции на Таймыре, в которой воздействие хищников и человека пока не является определяющим. Прогноз влияния промышленного освоения Таймыра на экосистему в целом, состояние популяции дикого северного оленя и, как следствие, на местное население является одной из главных задач междисциплинарного проекта. Ставящиеся задачи освоения Крайнего Севера вынуждают, помимо необходимости защиты природных экосистем, давать ответы на такие сложные вопросы, как: Возможна ли поддержка аборигенных народов с помощью создания дополнительных экологических связей с внешним миром через товарно-денежные отношения? Повлияет ли это на состоя92

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

ние населяемых ими «кормящих» экосистем? По каким критериям оценивать благополучие аборигенного населения? По каким критериям считать его аборигенным и какими наделять правами? и т. д.

Состояние оленьих пастбищ Таймыра Оценка запаса кормов на оленьих пастбищах всех зональных подразделений Таймыра проведена в конце 70‑х годов ХХ века. Общий запас кормов на пастбищах зоны полярных пустынь и тундровой зоны Восточного Таймыра был оценен в 4903 тыс. тонн. Оленеемкость пастбищ Восточного Таймыра в пределах рассматриваемой территории по расчетной формуле В. Н. Андреева [5], исходя из запасов зеленых кормов, составляет 272,3 тыс. голов. При такой численности на одного оленя приходится менее 48,5 га пастбищ, или 2,1 голов/км², что соответствует очень высоким пастбищным нагрузкам. Опыт Ямала показал, что оценки оленеемкости выдающегося исследователя В. Н. Андреева все же были заниженными и не предполагали возможности пастбищ выдерживать нагрузку от современного поголовья домашних оленей. Популяция диких оленей уже испытала на себе существенное воздействие со стороны человека в индустриальную эпоху. Свидетельством этого является изменение исконных путей миграции и исчезновение ряда локальных популяций вблизи Норильского промышленного комплек-

6000

-0,5

0 долганы

0,5

1,5

Долганы Ненцы Нганасаны

4000 3000

Эвенки Энцы

2000 1000 0 1880

Логарифм доли p(i)

Численность

5000 -1

-2

1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

нганасане

-2,5 -3 -3,5

годы

ненцы

-1,5

-4

y=-2,0709x - 0,2773 R2=0,9461

эвенки энцы

Логарифм ранга i

Рис. 2. Динамика численности коренных народов в Таймырском автономном округе в XX веке [8]

Рис. 3. Распределение по численности малых народов Таймыра в 1989 году

са [6]. Однако обилие дикого северного оленя является важным свидетельством сохранения биоразнообразия Севера, окружающей среды, а для населения промышленных районов Таймыра представляет еще и рекреационно-эстетическую ценность. В этих условиях возрастает необходимость любой формы защиты «кормящего ландшафта» аборигенного населения cеверных регионов как основы их жизнеобеспечения и выживания. Этно-хозяйственный уклад малых народов Севера точно экологически и культурно сбалансирован с кормящими биоценозами и обитающими в них видами. Любые социальные и технические вмешательства в их жизнь нарушают веками установившуюся гармонию взаимоотношений коренного населения Севера с его «кормящим ландшафтом», вызывают фрустрацию функциональных связей коренных жителей с природой. Таймырская популяция дикого северного оленя на сегодняшний день находится в достаточно благоприятной ситуации как по природным, так и по социально-экономическим причинам. На полуострове Таймыр после пика численности оленей в 2000 году около 1 млн голов и последующего спада до около 600 000 голов в 2009 году должен возобновиться рост, который в сочетании и с промышленным освоением и увеличением фактора беспокойства может увеличить подвижность оленьих стад. Следствие этого – нагрузка на растительный покров до уровня, превышающего возможности саморегуляции численности оленей через изменения пространственной организации популяции, путей миграции и возможности восстановления растительности [7].

для эксплуатации своих биологических ресурсов, поэтому материально-энергетические потоки предстают в более явном виде для количественного описания, что облегчает задачи учета и моделирования происходящих процессов. Динамика численности людского населения является одновременно и индикатором предыдущего развития, и фактором для последующей социально-экономической политики. При этом законы системной экологии имеют прямое отношение к демографии человека, что хорошо видно на примере зависящих от естественных биоценозов народов. Для народов, основой жизнеобеспечения которых является охота (и рыбная ловля), общий объем доступного ресурса зависит прежде всего от состояния экосистем и популяций диких животных, а не от эффективности трудовой деятельности и социальной организации (как в аграрных и индустриальных обществах). Полуостров Таймыр выделяется тем, что на нем располагается наибольшая в Евразии популяция диких северных оленей, что, в свою очередь, делает невозможным или нерентабельным крупностадное оленеводство домашних оленей. Состояние аборигенных народов оказывается тесно связанным с природной популяцией диких животных, подверженной естественной саморегулирующейся динамике. С точки зрения экологии человека полуостров Таймыр, благодаря многонациональному составу коренного населения, основой жизнеобеспечения которого является популяция дикого северного оленя, рыболовство, охота на песца и в меньшей степени домашнее оленеводство, демонстрирует уникальную возможность для эталонного (модельного) исследования на территории России. У исполнителей проекта имеется научный задел по изучению состояния популяции дикого северного оленя на Таймыре [9–15]. Ныне существующие на Таймыре аборигенные народы – долганы, ненцы, нганасаны, эвенки, энцы – используют вариативные стратегии выживания в жестких условиях Крайнего Севера, что отражается как на их численности, так и на ее исторической динамике (рис. 2, 3).

Демографическая структура коренного населения Таймыра Таймырский автономный округ представляет собой очень удобный объект для исследования этнических культур с точки зрения их экологической адаптаций. Экосистемы Крайнего Севера как наименее продуктивные и наиболее простые по видовому составу и трофическим связям предоставляют ограниченный набор возможностей

No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

На примере Крайнего Севера отчетливо видна система регулирующих прямых и обратных связей влияния как человека на природу, так и природы на человека через демографическое (экологическое) состояние популяций. Для получения выводов, имеющих прогностическое значение, накопленный предыдущими исследователями обширный количественный материал [9–15] требует взаимной увязки и формализации в обобщающей модели. В качестве модельной территории определен полуостров Таймыр (Долгано-Ненецкий автономный округ) с возможной экстраполяцией полученных результатов на территорию всего циркумполярного региона. Пастбищные угодья полуострова используются северными оленями тысячи лет и адаптированы к выпасу этих животных, однако влияние выпаса оленей на растительность пастбищ зависит от пастбищных нагрузок и климатических условий. Для оценки состояния пастбищ и текущей численности диких оленей требуются полевые работы экспедиционного характера. Применение комплексного экологического подхода для Таймыра дает возможность разработать и верифицировать

не только «многовидовую» (мультикультурную для человека) модель конкуренции за ресурс, но и более общую многоресурсную модель. Проблема, к решению которой может вести предлагаемый проект, существует не только на региональном уровне, а может являться глобальной в буквальном смысле. Переживаемый человечеством в связи с глобальной урбанизацией и индустриализацией стремительный по историческим меркам демографический переход теоретически по оптимистическим прогнозам должен завершиться стабилизацией численности населения на пока неизвестном уровне. При существующей культурной и экономической дифференциации и ограниченности промышленных ресурсов прогнозирование стационарного соотношения численности населения разных народов и континентов в глобальном масштабе, а также решение вопросов, какими путями возможно достижение такой стабилизации, должно осуществляться на основе исследований на модельных объектах, одним из которых является уникальный по своим характеристикам регион полуострова Таймыр.

ЛИТЕРАТУРА 1. Рыбаков О. К., Н. В. Аллилуева. Беспилотные летательные аппараты в изучении и освоении Арктики // Морские информационноуправляющие системы. – №1(4). – 2014. – С. 86-93. 2. Суховольский В. Г., Исхаков Т. Р., Тарасова О. В. Оптимизационные модели межпопуляционных взаимодействий. – Новосибирск: Наука. – 2008. – 162 с. 3. Короновский Н.В., Златопольский А.А., Иванченко Г.Н. Автоматизированное дешифрирование космических снимков с целью структурного анализа // Исследование Земли из космоса. – 1986. – N 1. – С. 111-118. 4. Морозова Л. М., Малыгина Н. В. Состояние растительного покрова тундровых пастбищ в районах многолетнего выпаса. // В мире научных открытий – Красноярск. – 2013. – № 3. – С. 49-80. 5. Андреев В. Н. Состояние кормовой базы советского оленеводства и вопросы использования пастбищ диким северным оленем // Дикий северный олень в СССР. – М. – 1975. – С. 68-79. 6. Якушкин Г. Д., Павлов Б. М., Савельев В. Д., Зырянов В. А., Куксов В. А. Биологическое основание хозяйственного использования диких северных оленей на севере Красноярского края // Дикий северный олень СССР. – М., 1975. – С. 225-230. 7. Malygina N.V., Maklakov K.V., and Kryazhimskiy F.V. Population Dynamics of Wild Reindeer (Rangifer tarandus L.) on the Taimyr Peninsula: A Simulation Model // Ekologiya. – 2013. – No. 5. – P. 376-382. 8. Архивное агентство Администрации Красноярского края. Территориальный орган Федеральной службы государственной статистики по Красноярскому краю. 9. Malygina N. Le migrazione di rennenelTaimircentrale e orientale Alto CriticadellaSocietaAlpinaFriulana. – 1997. – С. 44. 10. Maлыгина Н. В. Оборонительное поведение дикого северного оленя (Rangifertarandus L.) при действии авиасредств // Вестник КрасГАУ. – 2014. – № 5 (92). – С. 148-153. 11. Малыгина Н. В. Некоторые особенности суточного ритма активности дикого северного оленя (Rangifertarandus L.) как отклик на внешние факторы беспокойства // «XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс»: Периодическое научное издание. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2014. – № 01(17). – С. 57-63. 12. Малыгина Н. В. Поведенческие характеристики дикого северного оленя (Rangifertarandus L.) в период охоты в контексте стратегии и механизмов рационального природопользования // «В мире научных открытий». – Красноярск. – 2012. – № 3.3. 39. – С. 293-316. 13. Малыгина Н.В. Объект охоты: дикий северный олень (Rangifertarandus L.) Восточного Таймыра. – 2005. – 212 с. 14. Малыгина Н.В. Хоросинхронная динамика диких северных оленей (Rangifer tarandus L.) на территории Восточного Таймыра как отклик на внешние вызовы // В мире научных открытий. – Красноярск. – 2012. – № 3.3. 39. – С. 265-293. 15. N. Malygina, E. Vlasova, V. Bogdanova. Wild reindeer (Rangifer tarandus L.) resources use in the Taimyr peninsula: Aspects of the principle of ecological law / Czech Polar Reports, 2013. – V. 3. – № 1. – P. 69-73.

Морские информационно-управляющие системы, 2014/ No. 3 (6)

РЕДАКЦИОННАЯ ГРУППА: Руководство: Кобылянский В.В. Выпускающий редактор: Манохина И.И. Технические консультанты: Арфаниди М.В. Бункин А.Ф. Горшков А.Г. Губанов М.Ю. Лушников Д.Л. Першин С.М. Попов А.М. Организационная помощь: Осипова С.В. Дизайн и верстка: Маркин О.Д. Полная или частичная перепечатка, либо иное использование материалов, опубликованных в журнале «Морские информационно-управляющие системы», без письменного разрешения издателя не допускается. Рукописи рецензируются. Реклама в настоящем номере размещена на полосах: 31, 39, 95, 3-я полоса обложки. Издатель: Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат» Адрес редакции: Москва, ул. Шоссе Энтузиастов, д. 29 Тел.: +7 495 603-9034 E-mail: innovation@concern-agat.ru, issue@ocean-platform.ru Website: www.concern-agat.ru, www.ocean-platform.ru Источники фотоматериалов: указаны в списках источников и литературы к статьям Печать: ООО «Август Борг» Москва, Амурская ул., д. 5, стр. 2 Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Регистрационное свидетельство: ПИ № ФС 77-53922 от 26 апреля 2013 года.

ISSN 2308-2119

Подписано в печать: 19.12.2014 г. Тираж: 1000 экз.