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

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ сИстЕМыОАО «КОНЦЕРН «МОРИНсИс-АГАт»

МОРсКИЕ

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

КОБЫЛЯНСКИЙ Валерий Владимирович заместитель генерального конструктора по инновационной политике ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», заместитель главного редактора

НОВИКОВ Евгений Станиславовичглавный конструктор направления ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

БЕКИШЕВ Анатолий Тимофеевичгенеральный директор-генеральный конструктор ОАО «НПП «Салют»

БОНДАРЬ Михаил Владимировичглавный научный сотрудник ОАО «ЦНИИ «Курс»

ГОЛУБЕВ Анатолий Генадьевичдоктор технических наук, ОАО «КГФИ»

ГЛАДИЛИН Алексей Викторовичдиректор института ФГУП «АКИН»

КОПАНЕВ Александр Алексеевичгенеральный директор ОАО «НПФ «Меридиан»

МАКЛАЕВ Владимир Анатольевичгенеральный директор ОАО «НПО «Марс»

НЕМЫЧЕНКОВ Владимир Сергеевичгенеральный директор, председатель научно-технического Совета ОАО «Тайфун»

ПИРОГОВ Всеволод Анатольевичпервый заместитель директора института по научной работе ФГУП «АКИН»

ПРИХОДЬКО Иван Михайловичтехнический директор ОАО «НИИ «Атолл»

редакционная коллегия:

Copyright © 2014 Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»

Межотраслевой корпоративный научно-технический журнал

ИЗДАТЕЛЬ:

Открытое акционерное общество«Концерн «Моринформсистема-Агат»

морские иНФормАЦиоННо-УПрАВЛЯЮЩие системы

1

КОЛОНКА РЕДАКТОРА

Уважаемые друзья!В этом году исполняется 75 лет одному из крупнейших судостроительных комплек-

сов России – ОАО «ПО «Севмаш». Масштабная кораблестроительная программа реа-лизуется 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, единствен-ная 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 Владимировичглавный редактор

75Севмашу

Материал о Севмаше – на с. 6-13

2

ПРЕЗИДЕНТ РОССИИ В.В. ПУТИН ПОСЕТИЛ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ

ЦЕНТР КОМПЕТЕНЦИЙ ОАО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ»

Ректор Дальневосточного Федерального универси-тета 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 граждан-ского скоростного судостроения: разработанные совмес-тно с ОАО «ЦКБ по СПК им. Р. Е. Алексеева» скоростные суда на воздушной подушке, суда на воздушной каверне и новое поколение гражданских экранопланов для обес-печения транспортных коридоров Дальнего Востока и Си-бири. Эксплуатация таких судов, как судно на подводных крыльях «Циклон» (вместимость 250 человек, скорость 50 узлов, предлагаемые маршруты: Владивосток – Южно- Сахалинск, Южно-Сахалинск-Южно-Курильск), «Комета» (120 человек, скорость 35 узлов, предполагаемые мар-

шруты: Владивосток – Славянка, Ванино – Холмск, Де-Кастри – Александрово-Сахалинский, Петропавловск-Камчатский – Усть-Камчатский), судов на воздушной каверне (возможный маршрут: Владивосток – Находка – Ольга), позволит экономически эффективно решить про-блему 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 обеспече-ния прохода кораблей и работ на покрытых льдом участ-ках шельфа, разработанные совместно с ОАО «НПП «Радар ММС» и Горным университетом, беспилотные комплексы на самолетной и вертолетной базе, а также новейшие гид-роакустические системы.

12 ноября 2014 года в рамках рабочей поездки на Дальний Восток Президент России В. В. Пу-тин посетил Дальневосточный центр компетенций ОАО «Концерн «Моринсис-Агат».

3

Отдельное внимание Президента привле-кли совместные с предприятиями-партнера-ми 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 университе-том и ОАО Концерн «Моринсис-Агат». Согла-шение предполагает создание, помимо уже развернутого на территории ДВФУ Центра компетенций Концерна, еще и инжиниринго-вого центра, а также реализацию пятилетней программы сотрудничества в области НИОКР (на совместные работы будет выделено по-рядка 500 миллионов рублей). Кроме того, планируется развертывание совместных ин-новационных программ с ОАО «Роснефть», которое также открыло свое представи-тельство 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, на-учно-технологических и социальных задач Дальневосточного региона.

4

СОДЕ

РЖА

НИ

ЕCO

NTEN

T

5

54

40

6

МОРСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО–УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ No. 3 (6) / 2014

Президент России В.В. Путин посетил Дальневосточный центр компетенций ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» 2

Севмашу 75 лет! 6

Гидроакустические средства визуализации для необитаемых подводных аппаратовВ.М. Лекомцев, Д.В. Титаренко АО «Акустический Институт им. академика Н.Н. Андреева» 14

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

Высокочастотный магнитометрический контроль положения подводных техногенных объектовА.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

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

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

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

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

ПРОЕКТЫ, РЕКОМЕНДОВАННЫЕ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ 57

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

Сеть декаметровой радиосвязи для арктического региона РоссииД.Е. Зачатейский, В.А. Березовский, В.Л. ХазанИМ СО РАН ОАО «ОНИИП»ОмГТУ 62

Создание единого информационного пространства по обеспечению безопасности мореплавания в акватории СМП на основе интеграции радиооборудования и использования информационных технологийА.А. Брыксенков, А.Р. Шигабутдинов, И.В. Дулькейт, С.А. Завьялов, А.В. Косых, В.Л. Хазан, В.В. ХанычевПолярная комиссия РГО, консорциум ЦРТП ЗАО «ЦНИИМФ» ОмГТУОАО ЦНИИ «КУРС» 68

Создание уральского полярного транспортного коридораА.В. СысоевСОСПП, Уральский строительный кластер 74

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 месторожденияхМ.Ю. Филимонов, Н.А. ВагановаИММ им. Н.Н. Красовского УРО РАН ФГАОУ ВПО «УрФУ им. Первого Президента России Б.Н.Ельцина» 80

Геоинформационные системы для мо-ниторинга антропогенного воздействия на биосферу арктической зоныН. В. Малыгина, К. В. МаклаковФГАОУ ВПО «УрФУ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина»ИЭРиЖ УРО РАН 88

68

80

20

88

6

С распадом Советского Союза Севмаш фактически остался единствен-ным предприятием в России и на постсоветском пространстве, осуществ-ляющем весь цикл строительства и испытаний подводных лодок с атом-ными энергетическими установками. Мощности предприятия и опыт трудового коллектива дают возможность реализовывать высокотехноло-гичные и наукоемкие проекты: от выпуска транспортно-упаковочных кон-тейнеров для отработавшего ядерного топлива до создания современных атомных подводных лодок и морских инженерных сооружений.

Главное здание ОАО «ПО «Севмаш» в Северодвинске

Генеральный директор Будниченко Михаил Анатольевич

ЮБИ

ЛЕЙ

7

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‑

Материал подготовлен к юби-лею предприятия Севмаш*

на основе открытых источниковМ.В. Арфаниди

* участник Технологической платформы «Освоение океана»

Поселок Судострой Город Северодвинск сегодня

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.

ЮБИ

ЛЕЙ

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

Тяжелый ракетный подводный крейсер стратегического назначения проекта 941 «Акула»

Первая атомная подводная лодка «Ленинский комсо-мол» проекта 627

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, во‑ оруженные 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

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.

ЮБИ

ЛЕЙ

9No. 3 (6) / 2014, Морские информационно-управляющие системы

Церемония вывода атомного подводного крейсера «Владимир Мономах»

АПЛ четвертого поколения «Юрий Долгорукий» проект 955 В.В. Путин на Севмаше

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 состоя‑ лась 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».

ЮБИ

ЛЕЙ


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 Военно‑морским 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»

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.

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.

Награды

ОРДЕН ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ – в 1971 году – за успешное выполнение 8‑й пяти‑летки (1966–1970 гг.) и организацию производства новой техники.

ЮБИ

ЛЕЙ


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

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.

ЮБИ

ЛЕЙ


Рабочие моменты, обучение новых специалистов

Морская ледостойкая стационарная платформа «Приразломная»

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.

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‑

ЮБИ

ЛЕЙ


1. http://www.sevmash.ru/ – официальный сайт предприятия2. http://sevmash.livejournal.com/ – блог предприятия Севмаш в «Живом журнале»3. http://www.setcorp.ru/ – информационный портал «Судостроение. Энергетика. Транспорт»4. http://www.sudprom.ru/ – портал судостроительной промышленности РФ5. http://www.mashportal.ru/ – портал машиностроения

ИСТОЧНИКИ

ЮБИ

ЛЕЙ

14

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»

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕСРЕДСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ

ДЛЯ НЕОБИТАЕМЫХПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ

15

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

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 линей-ное разрешение составит порядка 1 м, что, по-видимому, неприемлемо при поиске и распознавании малогабарит-ных объектов. Повышение линейного разрешения в этом случае возможно при приближении гидролокатора к под-водному объекту с помощью телеуправляемых или авто-номных 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 ис-пользовании интерферометрического ГБО (ИГБО) – и для площадной съемки рельефа дна;

• гидролокаторы секторного обзора (ГСО) – для обеспе-чения навигационной безопасности и поиска объек-тов по курсу движения подводного аппарата.

Особой разновидностью гидролокаторов секторного обзора являются 2D- и 3D-звуковизоры, отличающиеся по-вышенной разрешающей способностью по углу (не хуже 1°) и по дистанции (порядка 1 см). Эти звуковизоры могут ис-

пользоваться для поиска, допоиска, обследования и рас-познавания подводных объектов по их акустическому изображению.

АО «Акустический институт имени академика Н. Н. Ан-дреева» имеет определенный опыт разработки всех перечисленных типов гидролокаторов. Однако все эти ги-дролокаторы, за исключением звуковизоров, имеют зна-чительные весогабаритные характеристики и рассчитаны на консольное крепление к борту судна либо на буксиров-ку с помощью кабель-троса. Для более легких телеуправ-ляемых 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 мно-гофункциональной гидроакустической системы (МФГС), предназначаемой для проведения промерных, навигаци-онных и поисковых целей. Общий вид МФГС представлен на рисунке 1.

Таблица 1

Дальность действия, м

20 50 100 200 500 1000

Оптимальная частота, кГц

710 360 220 130 67 40

Длина антенны, м 0,21 0,42 0,68 1,15 2,24 3,75

В состав многофункциональной гидроакустической системы входят многолучевой эхолот, гидролокатор бо-кового обзора, интерферометрический гидролокатор бокового обзора и впередсмотрящий гидролокатор сек-торного обзора. Все эти гидролокаторы размещаются на одном носителе, который может либо жестко крепить-ся к борту судна, либо буксироваться за кабель-трос. Для обеспечения возможности использования отдельных гидролокаторов, входящих в состав МФГС, на телеуправ-ляемых или автономных подводных аппаратах были пред-приняты следующие меры:• антенны и электронные узлы каждого гидролокатора

размещены в отдельных корпусах;• минимизированы весогабаритные характеристики

каждого гидролокатора;• унифицированы электрический и программный ин-

терфейсы.Каждый из гидролокаторов предусматривает обмен ин-

формацией по стандарту Ethernet. Для обеспечения обмена

Рис. 1. Многофункциональная гидроакустическая система


информацией с каждым из гидролокаторов по одному ка-белю используется серийный коммутатор локальной вычи-слительной сети, размещаемый в герметичном корпусе.

Совмещение в одном буксируемом теле различных ги-дролокаторов с перекрывающимися секторами обзора позволяет производить площадную съемку дна с непре-рывной полосой обзора, а также заблаговременно опре-делять навигационные препятствия по курсу движения. На рисунке 2 схематично представлены расположения ан-тенн и секторов обзора составных гидролокаторов много-функциональной гидроакустической системы.

Приведем краткую характеристику отдельных гидроло-каторов, входящих в состав мно гофункциональной гидро-акустической системы.

Гидролокатор секторного обзораГСО предназначается для обеспечения навигационной

безопасности буксируемого тела. Корпус гидролокатора выполнен в виде полусферы диаметром 190 мм. Для раз-мещения антенны часть полусферы выбрана под цилинд- рическую поверхность радиусом 100 мм. Антенна состоит из трех рядов пьезоэлементов (ПЭ), работающих в обрати-мом режиме. Каждый ряд содержит 21 ПЭ, размещаемый на дуге протяженностью 106°. Корпус гидролокатора сек-торного обзора закрепляется в носовой части буксируе-мого тела так, чтобы антенна была обращена в сторону его движения, а дуги с пьезоэлементами располагались в гори-зонтальной плоскости.

Антенна ГБО

Антенна МЛЭ

Антенна ГСО

Рис. 2. Антенны и сектора обзора многофункциональной гидроакустической системы

Блок электроники размещается внутри полусфериче-ского корпуса гидролокатора бокового обзора и частично выступает за ее пределы. Для обеспечения герметичности блок электроники закрывается крышкой, выполненной в виде цилиндрического колпака. Высота колпака состав-ляет 60 мм. На задней крышке колпака размещается гер-моразъем на 8 контактов. К герморазъему подключается кабель, содержащий 4 витые пары. Две пары используют-ся для связи с внешним потребителем по стандарту Fast

Таблица 2

Рабочая частота, кГц 100

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

6030

Дальность действия, м 500

Угловое разрешение, град. 6

Разрешение по дистанции, см 10

Габариты, мм 190 х 190 х 180

Вес в воздухе/воде, кгс 5/2

Рабочая глубина, м 300


Интерферометрический гидролокатор бокового обзора

ИГБО формируется на основе одной из секций антенны гидролокатора бокового обзора и второй линейной ан-тенны, 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 интерферометриче-ского 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), позволяю-щим выделить не только отметку в направлении объекта, но и его форму. Еще одно отличие касается требования формировать акустическое изображение в режиме реаль-ного времени. По этой причине к звуковизорам не следует причислять упоминавшиеся ранее гидролокаторы бокового

Ethernet, а две другие – для подачи питания от внешнего источника тока.

По Ethernet-связи подводный модуль передает выборку сигналов со всех элементов приемной антенны. Оцифров-ка входных сигналов, а также их цифровая фильтрация, децимация и формирование передаваемых пакетов про-изводятся под управлением программируемой логиче-ской 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 эхолотМЛЭ выполнен в форме цилиндра диаметром 120 мм

и высотой 170 мм. Излучающая антенна длиной 120 мм вмонтирована вдоль образующей цилиндрического кор-пуса. Приемная антенна имеет форму дуги и располагает-ся на боковой поверхности одной из крышек корпуса. Для совмещения поверхности этой антенны с поверхностью обтекателя буксируемого тела радиус дуги антенны при-равнивается 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 ре-гулируемым по времени коэффициентом усиления, оциф-ровку 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 используют-ся для передачи сигналов, 2 – для питания. В состав бло-ка электроники дополнительно включены датчики крена, дифферента и электронный компас.

Основные технические характеристики многолучевого эхолота приведены в таблице 3.

Гидролокатор бокового обзораГБО включает в свой состав блок электроники, конструк-

тивно 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 ка-белей и герморазъемов.

Основные технические характеристики гидролокатора бокового обзора приведены в таблице 4.

Таблица 3



Ширина сектора обзора, град. 60





Рабочая глубина, м 300

Таблица 4


Дальность действия на один борт, м 500


Угловое разрешение, град. 0.6


Длина антенны, мм 930

Габариты блока электроники, мм ø90 х 250



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 гидроло-кационного сигнала.

По размерности сканируемого пространства звуковизо-ры могут быть дву- или трехмерными. Двумерный звукови-зор, изготовленный в АКИН, представлен на рисунке 3, а его

Рис. 3. 2D-звуковизор.

Таблица 5




Разрешение по дистанции, см 2,5



Таблица 6



Ширина сектора обзора, град. 45 х 25

Угловое разрешение, град. 0,7 х 0,7


Габариты, мм ø110 х 180

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

а)

б)

основные параметры приведены в таблице 5. По своим характеристикам этот звуковизор сопоставим со звуко-визором Р-450 известной фирмы BlueView. На рисунке 4 представлены акустические изображения тестового куба с ребром 0,5 м, воспроизведенные с помощью звуковизо-ров АКИН и BlueView. Эти изображения подтверждают со-поставимость качества обоих изделий. Некоторые отличия в форме воспроизведенных изображений куба обусловле-ны расхождением ракурсов съемки.

2D-звуковизор принципиально не имеет разрешения в вертикальной плоскости, что не позволяет воспро-изводить объемное изображение подводных объектов и в ряде случаев затрудняет их распознавание. Для более качественного решения задачи воспроизведения подвод-ных объектов был изготовлен трехмерный звуковизор, ос-новные характеристики которого приведены в таблице 6.

В его основе лежат две линейные крест-накрест рас-положенные антенны, одна из которых является излу- чающей, а вторая – приемной. Эти антенны размещаются в основании цилиндрического корпуса, внутри которого находятся все электронные компоненты звуковизора. Бла-годаря использованию высокой рабочей частоты звукови-зор 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 существен-но сокращает число элементов антенны и, соответственно, объем аппаратуры, однако приводит к необходимости по-следовательного обзора пространства. При этом в силу ограниченной скорости распространения звука время формирования трехмерного кадра на предельных дистан-циях может увеличиваться до нескольких секунд, что суще-ственно понижает производительность поиска подводных объектов. Для повышения производительности поиска в 3D-звуковизоре реализован режим двумерного скани-рования. 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-


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

Антенна ГСО

лучить весь сектор наблюдения и, соответственно, резко увеличить производительность поиска. Режим 3D-сканиро-вания в этом случае включается при обнаружении какого- либо 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 простран-ственным разрешением – 2D- и 3D-звуковизоры. При разработке этих гидролокаторов применялись следую-щие общие принципы, способствующие их размещению на необитаемых подводных аппаратах:• минимизация размеров – размеры подводного мо-

дуля определяются размерами антенны, для ми-нимизации которых по возможности используется наибольшая рабочая частота, ограниченная требова-нием обеспечения необходимой дальности действия;

• унификация интерфейса между подводным модулем и надводным модулем – передача сигналов произво-дится по стандарту Ethernet, что позволяет использо-вать унифицированные средства приема и обработки для всех типов гидролокаторов;

• в качестве надводного модуля обработки и визуализа-ции используется серийный защищенный ноутбук, что позволяет одновременно сократить стоимость и ве-согабаритные характеристики этого модуля.

Минимизация весогабаритных размеров позволяет помещать разрабатываемые гидролокаторы на легких телеуправляемых аппаратах. Для размещения гидролока-торов на автономных подводных аппаратах потребуется изготовление дополнительного модуля, позволяющего за-писывать сигналы с элементов антенны в энергонезависи-мую память. Использование стандарта Ethernet для связи гидролокатора с этим дополнительным модулем позволит сделать его универсальным и применять с любым издели-ем, имеющим этот интерфейс.

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

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 объ-

ектов // Сборник трудов ХVIII сессии РАО. – М.: ГЕОС, 2006. – С. 82–85.

ЛИТЕРАТУРА

20

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 релье-фа дна и параметры грунта в акватории, а также конструктивные особенности антенны и уда-ленность точки от берегового поста.

Изложен численный метод решения задачи выбора места установки приемных антенн, реа-лизация которого проиллюстрирована двумя примерами. Выполнена сравнительная оценка возможных точек установки антенн на береговом шельфе для Авачинского залива на восточ-ном 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»

21

Основным критерием при выборе точки установки прием-ной антенны является максимизация отношения сигнал-помеха. Идеальным решением задачи было бы проведение в районе предполагаемой установки экспериментальных исследований характеристик помехи и законов спадания звукового поля с расстоянием. В состав научной экспеди-ции в этом случае должны входить, как минимум, два судна, оснащенные необходимым научным оборудованием. Одно судно будет использоваться в качестве излучающего, вто-рое – в качестве приемного. Суда также должны будут вы-полнить измерения профиля скорости звука в акватории. Однако проведение экспериментальных исследований яв-ляется 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 становит-ся особенно актуальным решение задачи расчетным путем.

Постановка задачиСравнительная оценка отношения сигнал-помеха для воз-

можных мест установки антенны включает в себя соотнесение

величин полезного сигнала и помехи (шумов моря) в рас-сматриваемых точках постановки. Максимальное значение сигнала достигается при минимуме потерь на распростра-нение (ПР), численные расчеты которых производятся для различных вариантов мест установки. Сравнительные ис-следования параметров шумов моря точек, расположен-ных на береговом шельфе, является отдельной задачей. Здесь ограничимся приближенной оценкой.

Конструктивные особенности антенны определяют сле-дующие 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, ха-рактеризуемых разными способами решения задачи вы-бора места установки:

ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕПРИЕМНЫХ АНТЕННВ СТАЦИОНАРНЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ ГЛУБОКОГО МОРЯ


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-ме-тровой 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 аку-стической точки зрения можно отнести по типу к средним пескам. Придонные грунты глубоководной части матери-кового 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-

• антенна, устанавливаемая на произвольной глубине;• антенна, устанавливаемая вблизи дна.

В первом случае для антенны производится сравни-тельная оценка точек ее возможной установки на всем исследуемом участке дна. Величина заглубления антенны выбирается вблизи оси залегания сформированного под-водного звукового канала.

Во втором случае сравниваются две крайние точки ис-следуемого участка дна: точка, расположенная вблизи излома рельефа дна при переходе шельфа в береговой склон, и точка, отодвинутая в шельф в район 100-метро-вой изобаты. Для антенны, устанавливаемой в промежу-точных точках, величина ПР будет находиться в интервале между величинами ПР для антенн, устанавливаемых в гра-ничных точках.

010

-2000

-1600

-1200

-800

-400

0

20 3040

50

Глуб

ина,

м

Дистанция, км

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


го Восточно-Камчатского течения. Акватория Тихого океа-на, прилегающая к восточному побережью полуострова Камчатка, имеет заметную пространственную изменчи-вость океанологических характеристик. К зимнему гидро-логическому 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 скоро-сти звука для летних и зимних гидрологических условий. Зеленым цветом обозначены профили, соответствующие прибрежной акватории, подверженной влиянию стоковых вод. Синим цветом выделены кривые профилей, соответ-ствующих акватории, подверженной влиянию Камчатского течения. Кривые профилей, соответствующих открытой глу-боководной части Тихого океана, расположенной на рас-стоянии 300–400 км от берега, выделены красным цветом.

Летние гидрологические условия характеризуются ярко выраженным подводным звуковым каналом, а зимние – по-

1,465 1,471,461,45 1,455

Прибрежные воды

Камчатское течение

Удаленный от берега участок

Глуб

ина,

км

Зимняя гидрология

Скорость звука, км/с

0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,5

1,47 1,48 1,491,45 1,46Гл

убин

а, к

м

Летняя гидрология

Скорость звука, км/с

0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,5

Рис. 2. Профили изме-нения скорости звука с глубиной в акватории Авачинского залива для летних и зимних гидроло-гических условий

ложительной pефpакцией звуковых лучей. Осенний и ве-сенний гидрологические сезоны в гидролого-акустическом отношении являются переходными между летними и зим-ними условиями.

Для определения коэффициента пространственного затухания в Прикамчатской акватории Тихого океана при расчетах используется эмпирическая формула Вадова, яв-ляющаяся 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 протяжен-ным береговым клином. В звуковом диапазоне частот отражающие свойства дна Черного моря в глубоководной части зависят от расчлененности рельефа дна, а в мелко-

010

-2000

-1600

-1200

-800

-400

0

20 3040

50

Глуб

ина,

м


Рис. 3. Участок шельфа и берегового склона в районе порта Туапсе


1,4641,481,4751,471,46 1,4651,4551,521,51,46 1,48 1,468 1,472 1,476

Переходная гидрология типа «зигзаг»

Глуб

ина,

км

Глуб

ина,

км

Глуб

ина,

км

Зимняя гидрологияЛетняя гидрология

Скорость звука, км/сСкорость звука, км/сСкорость звука, км/с

000

-0,1-0,1-0,1

-0,2-0,2-0,2

-0,3-0,3-0,3

-0,4-0,4-0,4

-0,5-0,5-0,5

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


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 диапа-зоне глубин от 50–100 м до 200 м представляют собой песчанистый ил, а грунты дна берегового склона (глуби-ны 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 ско-рости 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 постоян-ным положительным градиентом.

Летние гидрологические условия характеризуются на-личием сформированного подводного звукового канала. По этому признаку к летнему гидрологическому сезону в рассматриваемой акватории относятся месяцы с апре-ля по октябрь. При этом июль соответствует летнему типу гидрологии в наибольшей степени.

В восточной части Черного моря к зимним гидроло-гическим условиям, приводящим к положительной pе-фpакции звуковых лучей, можно отнести месяцы февраль и март, причем март соответствует зимнему типу гидро-логии в большей степени.

Для восточной части Черного моря характерен пере-ходный 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 соответ-ствует январь.

На рисунке 4 представлены профили изменения скоро-сти звука с глубиной. Зеленым цветом обозначены про-фили, соответствующие прибрежной акватории. Синим цветом выделены кривые профилей, соответствующих удалению от берега на ~80 км. Кривые профилей, соот-ветствующих удалению от берега на ~150 км и дальше, выделены красным цветом.

Для расчета коэффициента пространственного затуха-ния в Черном море на частотах 0,2–10 кГц используется эмпирическое соотношение [2]:

β = 0,035 ∙ f1,25, дБ/км (2)

Расчет ПР для конструкции приемной антенны, устанавливаемой на произвольной глубине. Авачинский залив

Расчеты потерь на распространение сигнала были выпол-нены при следующих исходных данных. Ненаправленный источник звука находился в глубоком море на расстоянии

~400 км от точки перехода шельфа в материковый склон. Приемник, моделирующий приемную антенну, был уста-новлен на глубине 86 м, расположенной вблизи оси за-легания сформированного подводного звукового канала. Расчеты ПР были выполнены для приемника, установлен-ного в районе шельфа и материкового склона на удалении от источника звука на расстояние от 380 км до 410 км с ша-гом 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 характе-ристики направленности приемника в вертикальной пло-скости:• для ненаправленного гидрофона;• для линейной эквидистантной решетки с восемью эле-

ментами, расстояние между которыми равнялось 1,2 м.Отметим, что здесь и далее при вычислениях ПР исполь-

зовалась лучевая двумерно неоднородная программа рас-чета распространения звука. Средняя высота волн всегда принималась равной 1 м в зимние месяцы и 0,63 м в летние.

Рис. 5. Авачинский залив. Потери на распростране-ние, летняя гидрология, глубина приемника 86 м

Рис. 6. Авачинский залив. Потери на распростране-ние, зимняя гидрология, глубина приемника 86 м

-85

-90

-95

-100

-105

380 390 400 410

Пот

ери

на р

аспр

остр

анен

ие, д

Б


Летняя гидрологияНенаправленный приемник на глубине 86 м источник на глубине 200 м источник на глубине 100 м источник на глубине 50 м

-92

-96

-100

-104

-108

380 390 400 410

Пот

ери

на р

аспр

остр

анен

ие, д

Б


Зимняя гидрологияНенаправленный приемник на глубине 86 м источник на глубине 200 м источник на глубине 100 м источник на глубине 50 м


Результаты расчетов потерь на распространение для двух вариантов характеристики направленности прием-ника отличаются друг от друга на малую величину, сов-падающую с погрешностью вычислений, оцениваемой в 1 дБ. Результаты расчетов ПР для ненаправленного ги-дрофона представлены на рисунках 5 и 6.

На участке трассы от 380 км до 400 км в условиях лет-ней 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 точно-стью 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 состав-ляют соответственно 2 дБ и 5 дБ.

Различия в величинах ПР для различных глубин источ-ника звука на расстоянии от источника ~400 км (место точки излома рельефа дна – переход материкового скло-на 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 за-ливе в точке на шельфе с глубиной места ~200 м в районе перехода шельфа в материковый склон достигается ми-нимум величины ПР. Кроме того, в этой точке обеспечива-ется 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, рас-положенного 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 направленно-сти приемника в вертикальной плоскости, и, поскольку результаты расчетов в обоих случаях практически не от-личаются друг от друга (с точностью до погрешности вы-

Рис. 9. Акватория Туапсе. Потери на распростране-ние, гидрология типа «зигзаг», глубина приемника 97 м

Рис. 7. Акватория Туапсе. Потери на распростране-ние, летняя гидрология, глубина приемника 97 м

-80

-84

-88

-92

-96

260 264 268 272 276 280

Пот

ери

на р

аспр

остр

анен

ие, д

Б


Летняя гидрологияНенаправленный приемник на глубине 97 м источник на глубине 200 м источник на глубине 100 м источник на глубине 50 м

Рис. 8. Акватория Туапсе. Потери на распростране-ние, зимняя гидрология, глубина приемника 97 м

-88

-90

-94

-92

-96260 264 268 272 276 280

Пот

ери

на р

аспр

остр

анен

ие, д

Б


Зимняя гидрологияНенаправленный приемник на глубине 97 м источник на глубине 200 м источник на глубине 100 м источник на глубине 50 м

-86

-84

-88

-92

-90

260 264 268 272 276 280

Пот

ери

на р

аспр

остр

анен

ие, д

Б


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


числений), достаточно привести результаты для одного из вариантов. Результаты расчетов ПР для ненаправлен-ного 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 нахожде-ния источника звука на глубине 200 м. При заглубле-нии 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 «зиг-заг» 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 источни-ка, установленного на глубине 50 м.

Таблица 1 Модуль ПР для вариантов «И» и «Ш» размещения антенны в Авачинском заливе

Глубина источника, м Частота, Гц Г/л сезон Точка «И» Точка «Ш»Выигрыш (проигрыш) точки И относительно Ш

50

330лето 94,6 дБ 111,5 дБ + 16,9 дБ

зима 101,5 дБ 92,1 дБ – 9,4 дБ

750лето 100,6 дБ 123,6 дБ + 23,0 дБ

зима 119,8 дБ 113,6 дБ – 6,2 дБ

100

330лето 99,1 дБ 87,1 дБ – 12,0 дБ

зима 100,2 дБ 99,7 дБ – 0,5 дБ

750лето 105,6 дБ 92,4 дБ – 13,2 дБ

зима 118,9 дБ 138,0 дБ + 19,1 дБ

200

330лето 93,1 дБ 96,6 дБ + 3,5 дБ

зима 95,0 дБ 112,4 дБ + 17,4 дБ

750лето 98,7 дБ 103,9 дБ + 5,2 дБ

зима 112,8 дБ 137,4 дБ + 24,6 дБ

Таблица 2

Вариант установки антенны

Гидрологическийсезон

Частота, Гц

Разброс потерь на распростра-

нение, дБ

«И»

лето330 6,0

750 6,9

зима330 6,5

750 7,0

«Ш»

лето330 24,4

750 31,2

зима330 20,3

750 24,4

Различия в величинах ПР для различных глубин источ-ника 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 составля-ют уже 17 дБ, 8 дБ и 7 дБ.

Проведенные расчеты показали, что в акватории, при-легающей 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,


Таблица 3 Модуль ПР для вариантов «И» и «Ш» размещения антенны в акватории Туапсе

Глубина источника, м Частота, Гц Г/л сезон Точка «И» Точка «Ш»Выигрыш (проигрыш) точки И относительно Ш

50

330

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

750

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

100

330

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

750

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

200

330

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

750

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


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 предполагае-мой 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 шель-фе с глубиной места 100 м; глубина установки – 86 м. Рас-стояние между точками «И» и «Ш» составило 10,3 км.

Характеристика направленности приемника в верти-кальной плоскости соответствовала линейной восьми- элементной эквидистантной решетке с шагом 1,2 м.

Расчеты производились для источника звука располо-женного на глубинах 50 м, 100 м и 200 м в летних и зим-них 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 выделе-ны обратные ситуации: проигрыша варианта «И» относи-тельно 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 выделе-ны выигрышные ситуации (разброс ПР меньше зависит от глубины источника), а красным – проигрышные.

Анализ данных, приведенных в таблицах 1 и 2, показы-вает, что вариант размещения приемной антенны в Ава-чинском заливе в точке «И» является предпочтительным с точки зрения достижения минимума потерь на распро-странение звука и обеспечения их равномерности в за-висимости 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 шель-фе с глубиной места 112 м; глубина установки приемни-ка – 97 м. Расстояние между точками «И» и «Ш» составило 2,8 км. Характеристика направленности приемника в вер-тикальной плоскости соответствовала расчетам для Ава-чинского залива.

Расчеты производились для источника звука располо-женного 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 прием- ника на расстояние ~280 км. Результаты расчетов пред-ставлены в таблице 3. А в таблице 4 приведены величины разброса потерь на распространение звука для различ-ных 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, показы-вает, 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 бе-регового клина на анизотропию поля поверхностных шу-мов моря в вертикальной и горизонтальных плоскостях для гидрологических условий восточного побережья по-луострова 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 прибреж-ной акватории Черного моря в летних гидрологических

Таблица 4

Вариант установки антенны

Гидрологическийсезон

Частота, Гц

Разброс потерь на распростра-

нение, дБ

«И»

лето330 3,2

750 3,4

зима330 4,2

750 4,8

«зигзаг»330 4,1

750 5,3

«Ш»

лето330 14,2

750 19,7

зима330 6,9

750 17,5

«зигзаг»330 6,6

750 10,9


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 про-

филя скорости звука // Акустический журнал. – 2003. – том 49. – № 4. – С. 519–528.


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, глу-бина 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 пе-рехода 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 раз-личные условия приема (шельф и глубокое море вблизи склона).

Отличия в спектре величиной до 3 дБ наблюдаются при углах скольжения ~ ±10° со стороны берега. Уровень шу-мов 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 рассматри- ваемый случай. Учтем, что максимальное расстояние между возможными точками установки антенны для обеих рассма-триваемых акваторий составляет 11,5 км, район постанов-ки ограничен только шельфовой зоной, и глубина приема меняется мало. Учтем также, что дно берегового склона в районе порта Туапсе сложено из илистых грунтов, а бе-реговой 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 уста-новки антенн для летней гидрологии. Соответственно ин-тегральный уровень помехи в возможных местах установки антенн будет отличаться не более чем на 1 дБ. Распростра-ним сделанную оценку также и на зимние и переходные ги-дрологические 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 произ-вольной глубине, точка «И» выигрывает у других мест воз-можной установки по критерию отношения сигнал–помеха при всех гидрологических условиях и глубинах цели. В рас-смотренном примере шельфа Авачинского залива отно-сительный выигрыш точки «И» может достигать 16 дБ. Для акватории вблизи порта Туапсе выигрыш точки «И» относи-тельно других возможных может достигать 13 дБ. При этом в точке «И» обеспечивается лучшая равномерность ПР в за-висимости 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 сигнал- помеха в большинстве вариантов гидрологических условий и глубине цели. При этом в точке «И» обеспечивается луч-шая 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).

32

Методы геомагнитной съемки, ранее разработанные в институтах Академии наук для изуче-ния 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 экзара-ции 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 регу-лярный мониторинг положения подводных трубопроводов, как в горизонтальной, так и в вер-тикальной плоскости с точностью 1–2 см. Одним из таких объектов являются магистральные газопроводы высокого давления, проложенные по дну Байдарацкой губы Карского моря.

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»* Москва

А. Г. ГоршковА. Ф. Бункин

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН*,

Москва

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

ВЫСОКОТОЧНЫЙ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ

ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

33

По дну Байдарацкой губы проложены и запланированы к прокладке подводные газопроводы, связывающие круп-нейшие газовые месторождения Ямала, – прежде всего, Бованенковское, Харасавэйское и Южно-Тамбейское – с Ев-ропейской частью России (рис. 1–2). Пять веток должны связать компрессорные станции Байдарацкая и Ярынская сквозь центральную часть губы; еще одна ветка пойдет гора-здо севернее, на выходе из губы, между Бованенковским ме-сторождением и компрессорной станцией Усть-Кара, возле одноименного поселка. Логичным и обоснованным выглядит предложение осуществлять регулярный контроль положе-ния оси трубы магнитологическими методами, рассматривая стальную трубу как источник магнитной аномалии (диполь).

Имеющееся матобеспечение включает в себя пакет при-кладных программ обработки магнитной съемки, позво-ляющий 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 ано-малии с точностью в 1 см необходимо производить съемку по профилям через 1 см с точностью определения коорди-нат также в 1 см (теорема Котельникова).

Для определения координат используется GPS Navstar со станциями дифпоправок, позволяющая получить координаты положения магнитометра с требуемой де-тальностью. 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 мо-жет обеспечить только феррозонд. Для сравнения: харак-терная частота работы протонных магнитометров, включая оверхаузеровские – 1–2 Гц; заявленная частота в 10 Гц маг-нитометров Seaspy по мнению специалистов, реально ра-ботавших с ними, не достигается, но даже она на порядок ниже необходимой.

Рис. 1. Байдарацкая губа – один из крупнейших зали-вов Карского моря, в его юго-западной части, между Югорским полуостровом и полуостровом Ямал. Длина губы около 180 км, ширина у входа – 78 км, глу-бина – до 20 м. Температура воды на поверхности летом 5–6 °C. С октября по июнь почти полностью покрыта льдом. Подвижки льда в центральной ча-сти губы могут происходить только при сильных ветрах и в приливы (амплитуда последних состав-ляет 0,5–1,0 м). Шторма в открытой части Кар-ского 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. Един-ственные населенные пункты – Усть-Кара, Усть-Юрибей, Яры и Моррасале. Вблизи юго-восточной и восточной оконечности губы, на расстоянии от 20 до 90 км, проходит железная дорога (до конеч-ной станции Хралов), а далее – постоянно дейст-вующий автомобильный зимник.

Рис. 2. Укладка подводного трубопровода в акватории Байдарацкой губы


Для практической реализации указанной задачи предпо-лагается использовать высокоточный феррозондовый мно-гоканальный магнитометр с частотой измерения до 1000 Гц, позволяющий выделить из суммарного магнитного поля Земли, измеряемого магнитометром, аномальное магнит-ное поле, а также изучить его тонкую структуру с определе-нием параметров интересующей аномалии. Магнитометр разработан в Институте общей физики РАН и ИРЭ РАН, имеет динамический диапазон 180 дБ и позволяет про-водить измерения от 1 мТл до 1 пТл, то есть практически на уровне квантовых шумов. В качестве датчиков магнит-ного поля используются эпитаксиально напыленные на ди-электрик пленки из железоиттриевого граната. На рисунке 3 представлен общий вид магнитометра и типичный спектр его шумов. Совместное использование данного магнитоме-тра и изложенных ниже алгоритмов обнаружения крупных объектов в водоеме по аномалиям измеряемого магнитно-го 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; со-здаваемая таким телом магнитная аномалия зависит толь-ко от положения самого диполя, его магнитных свойств и характеристик внешнего магнитного поля Земли (МПЗ). Магнитное поле трубопровода можно аппроксимировать разностью двух, одинаково намагниченных цилиндров, ра-диусы 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 магнитно-го 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, прове-дя с нужной детальностью и точностью измерения магнит-ной аномалии поперек трубопровода, можно определить координаты центра трубы, а зная ее радиус и толщину сте-нок – величину намагниченности материала, из которого она изготовлена, что влияет на степень изношенности сте-нок и содержание окислов железа.

Рассмотрим вопросы практической реализации пред-лагаемого подхода, обращая внимание на благоприятные и осложняющие факторы, характерные для данной задачи.

К первым, безусловно, следует отнести очень высо-кую магнитную контрастность исследуемого объекта по отношению к окружающей среде и его относительно небольшую глубину залегания. Многолетний опыт прове-дения инженерно-геологических изысканий на прибреж-

ных акваториях указывает на то, что даже сравнительно небольшие по размерам металлические объекты типа ото-рванных якорей, бомб и снарядов, металлических тросов при относительно мелком (~ 10 м) залегании очень четко проявляются в магнитных аномалиях. Мы оцениваем про-гнозируемые амплитуды магнитных аномалий над трубо-проводом во многие сотни нТл. К благоприятным факторам также следует отнести допущение о спокойном характере фонового поля на исследуемой площади; обычно аномаль-ные поля на шельфе очень слабые, если нет палеорусел рек и областей выноса железистых песков. Поэтому мы вправе ожидать устойчивого выделения аномалии от исследуемо-го объекта при соблюдении требуемых условий съемки.

Основная трудность при определении положения тру-бопровода методом инверсии магнитной аномалии с точ-ностью до нескольких сантиметров – это требующаяся чрезвычайно высокая детальность измерений вдоль про-филя. Забегая вперед, отметим, что во всех модельных рас-четах горизонтальная координата центра трубы находилась с точностью до шага дискретизации аномалии по горизонта-ли, поскольку все используемые технологии в той или иной степени зависят от этой величины. Часть применяемых ал-горитмов 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 Котель-никова). Поэтому вопрос о нужной детальности измере-ний – чисто технический, он будет обсуждаться ниже.

Вторая проблема заключается в необходимости исклю-чить из наблюдений искажающее влияние переменных во времени составляющих МПЗ – суточные вариации, а также особенно высокочастотные и высоко амплитудные помехи, возникающие во время геомагнитных бурь, ампли-туда которых может достигать для высоких широт сотен нТл. Для устранения такого рода помех также требуется приме-нение специальных технических средств – использования магнитовариационных станций и/или съемки в дифферен-циальном режиме. Проблема в том, что в настоящий мо-мент вопросы высокоточных и высокочастотных (не менее 100 Гц, см. ниже) магнитных и магнитовариационных изме-рений не проработаны должным образом.

Еще одним осложняющим фактором может быть наличие в исследуемом районе локальных магнитных аномалий гео-логической природы, а также высокий уровень аппаратных помех при выполнении съемки с экстремальными по тех-ническим условиям параметрами, необходимыми для обес-печения требуемой детальности данных. Используемые в наших методиках процедуры обработки позволяют эф-фективно бороться с таким типом помех.

Для решения поставленной задачи – определения по-ложения трубопровода по создаваемой им магнитной аномалии с высокой точностью – предлагается использо-вать разработанный в лаборатории геофизических полей ИОРАН программный комплекс Linverse2D. Одной из задач,


решаемых с помощью Linverse2D, как раз и является локализация в пространстве сингулярных источников магнитных аномалий – особых точек. 2D диполь в каче-стве модели трубопровода подходит под определение такого сингулярного источника. Оценка положения ло-кальных источников магнитных аномалий ведется как стохастическим способом (по спектру поля), так и детер-министским – по алгоритму так называемой эйлеровской деконволюции и с помощью нелинейной инверсии ана-литического сигнала. В силу того, что первый способ рабо-тает 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 мо-дельных 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 дискретиза-ции 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 мак-симумом 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 лога-рифмов спектров таких аномалий по частоте. В случае 2D диполя логарифм амплитудного спектра его аномалии, де-ленный на частоту, пропорционален частоте:

ln (P (ω)/ω)~ω,при этом коэффициент пропорциональности являет-

ся искомой глубиной до диполя. На практике это соотно-шение лучше всего соблюдается в области низких частот. Наш метод основан на автоматической аппроксимации

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


Для сравнения на рисунке 6 показаны результаты приме-нения 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 ано-малий нельзя обойтись по причине того, что спектральным способом определяется только глубина до источника, гори-зонтальная же координата находится с помощью процедур, работающих в пространственной области. В Linverse2D, помимо упомянутых полосовой фильтрации и аппрокси-мационного сглаживающего сплайна, предусмотрена воз-можность фильтрации с использованием винеровского оптимального фильтра, вейвлет-денойзинга, а также про-

полиномом первой степени в интерактивно задаваемом диапазоне частот и определении глубины до диполя по ко-эффициентам подобранного полинома. Способ хорош тем, что малочувствителен к высокочастотным шумам, а также тем, что позволяет оценивать параметры залегания со-вокупностей источников при сложноустроенном геоло-гическом разрезе. На рисунке 5 б показано применение спектрального способа для оценки глубины по зашумлен-ному 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.

Рис. 6. а – АМП с рис. 2б, фильтрованное полосовым частотным фильтром; б – оценка глубины до диполя спек-тральным способом, жирная линия – подобранная в частотной области аппроксимация спектра

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


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 де-конволюции Эйлера

странственного пересчета аномалий. В пространствен-ной области для оценки положения источника аномалии используется метод деконволюции Эйлера. Он основан на свойстве однородности уравнений, описывающих ано-малии от простых источников и позволяет определять обе координаты положения источника, а также его тип (если необходимо). При практической реализации важной де-талью является процедура выделения пространственного окна, в котором ищется решение, поскольку метод чувстви-телен к влиянию соседних, даже слабых, источников, если таковые имеются. Для этой цели в Linverse2D использует-ся автоматическая процедура сегментирования профиля на смежные подобласти по принципу: один максимум ана-литического сигнала – один источник. Аналитический сиг-нал определяется как модуль полного градиента аномалии

(вектор, составленный из горизонтального и вертикально-го градиентов). Он замечателен тем, что не зависит (в 2D случае) от направления намагниченности источника и на-правления МПЗ, имеет симметричную колоколообразную форму и четкий максимум над сингулярным источником. Выделив на профиле измеряемого магнитного поля локаль-ный участок с четко выраженным максимумом аналитиче-ского сигнала, мы тем самым определяем область, внутри которой методом нелинейной оптимизации подбираем набор параметров, наилучшим образом описывающий на-блюдаемую кривую. В результате на выходе получаем оцен-ки координат источника, его мощность (магнитный момент) и оценку качества подбора.

Примеры использования способов, работающих в про-странственной области, для оценки положения источника


модельной аномалии по зашумленному полю после филь-трации приведены на рисунках 8 и 9.

Таким образом, совмещение современных инструмен-тальных методов измерения слабых магнитных полей с последними достижениями в области математической обработки электромагнитных сигналов и алгоритмов рас-

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

Рис. 9. а – АМП с рис. 2б, фильтрованное полосовым частотным фильтром; б – оценка глубины до диполя мето-дом нелинейной инверсии аналитического сигнала, жирная линия – результат аппроксимации

40

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.

ОАО «Концерн «Моринсис–Агат»* Москва

А.Г. Горшков

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

МЕТОДЫ НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ

АППАРАТОВ ПО АНОМАЛЬНОМУ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ

ченная для определения местоположения (географических координат и высоты) и точного времени, а также параме-тров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Достоинство этой системы – максимальная точность (до 30 см).

Существует несколько систем навигации, отличающихся различной точностью позиционирования, областью при-менения и устойчивостью к внешним воздействиям.

Спутниковая система навигации – комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупно-сти наземного и космического оборудования, предназна-

Институт океанологии им. П.П. Ширшова*Москва

А.Н. Иваненко

41

Недостатки – слабый сигнал (на уровне теплового шума). Вследствие этого в условиях боевых действий легко может быть заглушена. Кроме того, принципиально непри-менима под водой, под землей, даже в условиях лесного дождя, т. е. при плохих условиях прохождения слабого ра-диосигнала.

Сущность инерциальной навигации состоит в опре-делении ускорения объекта и его угловых скоростей с по-мощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств. По этим данным устанавливается его место-положение (координаты), курс, скорость, пройденный путь и др. и определяются параметры, необходимые для стаби-лизации объекта и автоматического управления его дви-жением.

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 со- стоят в автономности, помехозащищенности и возможно-сти полной автоматизации всех процессов навигации. Бла-годаря 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 после-дующее движение с неуклонно увеличивающейся ошибкой;

• сложность и громоздкость оборудования.

Возможно использование акустической навигации, которая организуется следующим образом. Сначала в ак-ватории, где запланирована работа автономного необитае-мого подводного аппарата (АНПА), на дно устанавливаются гидроакустические маяки – транспондеры. При значитель-ных глубинах акватории точное позиционирование таких маяков – отдельная самостоятельная задача. На практике этот процесс осуществляется с некоторой ошибкой изме-рения. При выполнении миссии АНПА измеряет расстоя-ние до маяков и определяет их азимуты, обеспечивая таким образом свое позиционирование. Очевидно, что навигация по маякам – транспондерам, ограничена районом расста-новки таких транспондеров – небольшая бухта, акватория порта и т. п.

Для навигации подводного аппарата чаще всего приме-няются инерциальные системы навигации. Они отсчитывают направление, ускорение и время движения от определен-ной каким-либо способом реперной точки. Отечественных малогабаритных (порядка 10 см3) высокоточных приборов инерциальной навигации с ничтожным энергопотребле- нием пока не создано, а иностранные, в первую очередь американские производители, не продают свою продук-цию 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, си-ний 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)


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 обслужи-вающую ЭВМ, состояла из нескольких ящиков внушительных размеров, занявших почти весь салон самолета. Наиболее уязвимым местом ИНС долгое время являлись механические ги-роскопы, 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 геоинер-циальный блок с акселерометрами потребляет уже 50 Вт мощности и имеет массу 8,5 кг.Учитывая важность инерциальных систем навигации, агентством пе-редовых оборонных исследований (DARPA, США) была поставлена задача создания ИНС нового поколения. Впечатляющих успехов добились ученые Мичиганского университета, создавшие геоинерциальный блок (3 гироскопа, 3 акселерометра и ма-стер-часы), помещающийся на одноцентовой монете. К сожалению, ни-какие 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-лены три варианта: от Мичиганского университета, университета Джорджии и Калифорнийского университета.

Лазерный гироинерциальный блок АИС-402, разработанный НИИ «Полюс»

Инерциальное навигационное устройство, созданное учеными Мичиганского университета

зовании данных по аномальному магнитному полю (АМП) и батиметрии районов плавания.

Рассмотрим принципы навигации автономного необ-итаемого подводного аппарата по геофизическим полям (в процессе работы АНПА выполняет магнитную и батиме-трическую съемку, тем самым пополняя базы данных и уве-личивая точность последующих работ). Основной принцип навигации АНПА по геофизическим полям состоит в воз-можности динамического восстановления и корректиров-ки 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 цифро-вой карте, полученной по результатам всех предшествую-щих исследований в районе работ (рис. 1 а). Составление таких эталонных карт осуществляется с помощью раз-работанного 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

очередь, такая цифровая карта позволяет с высокой точ-ностью 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 измери-тельной системы (рис. 1 б, красная линия). Сопоставление этих данных с эталонными, взятыми из исходно заложенной в память компьютера подводного аппарата цифровой кар-ты аномального магнитного поля района работ, позволяет решить задачу восстановления истинного маршрута дви-жения АНПА посредством разработанного алгоритма, ис-пользующего итерационный процесс для решения системы уравнений невязок (рис. 2).

В уравнениях невязок используются рассчитанные по цифровой карте плоские, а при необходимости и вер-тикальный, градиенты поля. Маршрут движения АНПА разбивается на последовательность контрольных точек, для которых осуществляется расчет траектории истин-ного движения аппарата и его коррекция (рис. 3). Изме-ренные 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 про-межуточных результатов по восстановлению реального маршрута АНПА (итерация № 3): а – положение пред-писанной (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 осу-ществляется 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 точ-ность определения координат данным методом полно-стью определяется точностью исходной магнитной съемки и адекватностью вычисления аномального магнитного

поля. Скорость реагирования системы на изменение ано-мального магнитного поля определяется расчлененностью АМП в районе работы автономного необитаемого подвод-ного аппарата. Ясно, что в условиях расчлененного рельефа АМП, характерного, например, для окраинных морей Даль-него Востока, скорость реагирования, и, соответственно, скорость коррекции положения АНПА будут максимальны-ми, а в районе полностью однородного АМП данный метод вообще малоприменим.

44

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»

ОПТИЧЕСКИЙ КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОДВОДНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ВОД И КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОН

45

В настоящее время для передачи информации в водной среде используют проводные и беспроводные линии свя-зи [2, 3].

Проводные линии подводной связи, в том числе воло-конно-оптические, существенно ограничивают диапазон действия и снижают мобильность малогабаритных теле-управляемых подводных аппаратов (МТПА). Кроме того, использование таких линий становится невозможным при увеличении числа обслуживаемых подводных ап- паратов.

Беспроводные акустические линии связи основываются на передаче звуковых волн через водную среду. Однако данные линии связи обеспечивают низкую скорость пере-дачи и имеют невысокую помехоустойчивость из-за нали-чия большого количества акустических помех [4].

Использование электромагнитных волн позволяет су-щественно 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 по-глощение в водной среде испытывают электромагнитные волны оптического диапазона с длиной волны 200-900 нм. Беспроводные оптические линии связи позволяют полу-чить высокую скорость передачи информации путем использования большой полосы частот, составляющей десятки гигагерц [6, 7].

Учитывая вышеизложенное, целесообразно использо-вать беспроводную оптическую систему передачи инфор-мации для применения в мобильных МТПА. Однако из-за взаимодействия оптического излучения с водной средой при распространении происходит значительное рас- сеяние и поглощение сигнала, которое достаточно трудно прогнозировать.

Обоснование модели распространения оптического сигнала в водной среде

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

Передаваемая информация представляет собой характеристики подводной среды и видеоданные с подводных камер, а также команды управления подводными роботами.

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 по-глощать электромагнитное излучение в широком диапа-зоне 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 рас-пространяющегося сигнала и характеризует потери элект- ромагнитной энергии в водной среде на нагревание, из-менение химического состава вещества, ионизацию, пе-реизлучение на другой длине волны и т. п.

В общем случае океаническая вода состоит из моле-кул воды, органических частиц, газов, вирусов, бактерий, фитопланктона и неорганических частиц [4, 5]. Концен-трация указанных веществ в зависимости от типа водной среды и времени меняется в достаточно широких преде-лах. Таким образом, в ряде случаев невозможно полно-стью учесть все составляющие показателя поглощения оптического сигнала в водной среде. Поэтому обычно [1, 4] учитываются только основные компоненты, имею-щие наибольшую концентрацию.

В [4, 5] приводятся измеренные зависимости коэффи-циента поглощения для разных типов вод, по которым осуществляется выбор длины волны оптического сигнала, имеющего наименьшее поглощение. Для чистой воды ми-нимум поглощения находится около 450 нм.

При добавлении примесей минимум поглощения немно-го смещается в область более длинных волн, а его значение зависит от типа примесей и их концентрации.

В связи с этим выделяют [3, 4, 8] рассеяние света ча-стицами с размерами, соизмеримыми с λ (молекулярное рассеяние Релея), и рассеяние света частицами с разме-рами 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 инди-катрисой рассеяния [5, 8]. Расчет данного вида рассея-ния проводится с использованием теории Ми, в которой учитываются относительные размеры частиц, их форма, расстояния между частицами, взаимные расположения частиц и показатели преломления. При этом использует-ся допущение о том, что частицы являются сферическими

Интенсивность и направление рассеяния зависят от размеров присутствующих в воде частиц.


позволяют существенно повысить чувствительность при компактных размерах, однако обладают сильной зависи-мостью коэффициента усиления от температуры. Фото- электронный умножитель позволяет достичь компромисса между коэффициентом усиления и чувствительностью к из-менению внешних условий.

Таким образом, в результате проведенного анализа в качестве источника излучения может быть использован лазерный диод с длиной волны излучения 450 нм и мощно-стью 80 мВт, а в качестве приемника – фотоэлектронный ум-ножитель 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 нормирован-ной мощности излучения от расстояния между приемником и передатчиком для разных типов вод (рис. 1): где 1 – чистая океаническая вода при среднем коэффициенте ослабления ε̄(λ) = 0,12; 2 – прибрежная океаническая вода при ε̄(λ) = 0,3; 3 – прибрежная морская вода при ̄ε(λ) = 0,5; 4 – вода в местах сильной биологической активности при ε̄(λ) = 2,19.

Полученные зависимости использовались для расчета вероятности ошибки Рош при передаче оптического сигнала от расстояния до оптического приемника R при разных зна-чениях 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 ис-следований, проведенных по расчету мощности на входе приемника и вероятности ошибочного приема символа [2, 3, 8].

Рис. 1. Зависимость нормированной мощности на вхо-де приемника от расстояния

1 20 40 60 80 100 R, m

Pош

10-2

10-4

4

3

21

10-6

10-8

10-10

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

Элементы оптической системы передачи информации

К оборудованию оптической системы передачи инфор-мации, устанавливаемому на борту малогабаритных теле-управляемых подводных аппаратов, предъявляется ряд специфических требований:

1) минимизация массогабаритных показателей и энерго-потребления;

2) обеспечение работоспособности оптической линии связи в условиях наличия значительных ошибок визи-рования, вследствие невозможности обеспечения точ-ного позиционирования в подвижной водной среде;

3) поскольку доступ к подводным роботизированным комплексам затруднен, оборудование связи должно быть работоспособным в течение длительного вре-мени без технического обслуживания, а также иметь высокую степень надежности;

4) для передачи видеоданных в режиме реального вре-мени 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 све-тового источника, поскольку конструкция передающей и приемной частей системы определяется типом излу- чающего элемента. В настоящее время для построения подводных линий связи с мобильными роботизирован- ными комплексами могут использоваться светодиоды и лазерные диоды [2, 3, 8].

Светодиоды излучают волны в узком спектральном диа- пазоне. Достоинствами светодиодов являются высокий КПД, стабильность, большой срок эксплуатации, надеж-ность и низкая стоимость. Недостаток – переход в нелиней-ный режим при нагревании.

Лазерные диоды (ЛД) обеспечивают формирование ко-герентного 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 вы-сокая чувствительность к изменению температуры.

В настоящее время в подводных оптических линиях свя-зи применяются следующие типы фотонных приемников: фотодиод, лавинный фотодиод, фотоэлектронный умножи-тель [3, 8].

Использование фотодиодов обеспечивает простоту реа- лизации, 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


Проведенные экспериментальные исследования подвод-ной 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 пе-редачи 10 Мбит/с, достигались при вероятности появления ошибок 10–3.

Состав подводной оптической системы передачи информации

Структурная схема передатчика и приемника оптическо-го излучения изображена на рисунке 3.

Передатчик оптического излучения преобразует ам-плитудно-модулированный электрический сигнал в оп-тический. 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 параллель-ном 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 драйве-ров шунтирование лазера не происходит. В данном случае через лазерный диод протекает ток смещения плюс ток модуляции. Таким способом осуществляется амплитудная модуляция оптического излучения.

Pош

10-2

10-4

10-6

10-8

10-10

10-12

0 10 20 30 40 50 60 70 80 R, m

4

2 1

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибки от расстояния до оптического приемника

Рис. 3. Структурная схема передатчика и приемника оптического канала передачи информации

С помощью схемы управления и контроля оптическо-го передатчика, собранной на операционном усилителе LM 2902, осуществляется установка мощности излучения лазера. Для исключения перегрева, лазерный диод уста-новлен в массивное основание оптической коллимирую- щей схемы, которое является хорошим радиатором. Мак-симальная мощность оптического излучения составила более 20 дБм.

Приемник оптического излучения преобразует модули-рованное излучение оптического передатчика в электриче-ский сигнал, который формируется приемным объективом на светочувствительной площадке кремниевого фотодиода S5973 фирмы Hamamatsu. Далее полученный фототок по-ступает 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

ЛазерNDB 7875

Информационный сигнал от интерфейсного

модуля PECL

Информационный сигнал к интерфейсному

модулю PECL

Трансимпедансный усилитель МО 2011

Усилитель ограничитель

MAX 3969

к измерителю тока фотоприемника

Фильтр

Малошумящий источник питания на основе VC 33269

Драйвер лазера на основе двух

микросхем МС 2042

Схема управле-ния и контроля

LM 2902

Управляющий источник тока

+3 V

+3,3 V+3,3 V

+6 V

Вторичный источник питания

+5 V+6 V

+7,5 V

ФотодиодS 5973


существует не менее трех вариантов оборудования беспро-водной 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 пе-редачи 100 Мбит/с на расстояниях до 100 м при слабой мутности вод) позволяют считать возможным создание оборудования, по своим параметрам превышающее все из-вестные образцы [13].

Подводный оптический канал связи предназначен пре-жде 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 роботизиро-ванных комплексов появляется потребность в разработке качественных алгоритмов обработки видеопоследова-тельностей, полученных в водной среде рек, морей и океа- нов [14].

Основная проблема обработки подводных изобра-жений вызвана значительным ослаблением света, что уменьшает дальность видимости до 20 метров в чистой воде и до 5 метров в мутной. Ослабление обусловле-но поглощением и рассеиванием как в самой воде, так и в растворенных в ней органических веществах и малых взвешенных частицах.

В современных системах обработки подводных виде-оизображений для борьбы со специфическими искаже- ниями используются дополнительные аппаратные средст-ва, в частности лазерная подсветка, применение поляриза-ционных линз, внешняя подсветка объекта съемки и другие [15, 16]. Подобные подходы приводят к увеличению мас-согабаритных показателей, повышенному энергопот- реблению и росту стоимости аппаратуры для подводной видеосъемки в реальном масштабе времени.

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

Год издания Авторы, источник Дистанция, метрыСкорость передачи

данных, Мбит/сИсточник

1992 Источник [10] 9 50 ЛД

1995 Источник [11] 20 10 ЛД

2005 Источник [12] 12 10 Светодиод

2013Научный коллектив под руководством Кириллова С.Н.

Патент «Аппаратура подводной оптической связи» №2526207

100 100 ЛД

Рис. 4. Внешний вид приемо-передающего модуля в гер- метичном корпусе и без него


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 компонен-та сильно поглощается средой и фиксируется только на расстоянии менее одного метра;

3) усиление эффектов затухания и поглощения, которые происходят из-за неоднородности типа и концентра-ции взвешенных частиц, что приводит к размытию изображения (прямое рассеивание), искажению цве-та, а также к появлению ярких артефактов, известных под названием «морской снег»;

4) искажение контраста изображения, которое происхо-дит из-за нестабильности оптических свойств подвод-ной 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 по-глощением и рассеиванием в воде. Сигнал, приходящий на фоторегистрирующее устройство от данного источни-ка, формирует исходное (искаженное) изображение. Этот сигнал состоит из двух частей: компоненты прямой пере-дачи и компоненты прямого рассеивания [14].

Вторым источником является свет, отраженный от раз-личных элементов, находящихся вне снимаемой сцены, и характеризуемый величиной обратного рассеивания.

Метод программной предобработки подводных изоб- ражений, проводимой с целью улучшения качества, осно-ван на неоднородной коррекции цвета и освещения [17].

В работах [14, 16, 18] описано довольно много способов борьбы с вышеописанными эффектами в подводных изо-бражениях, но почти все они целиком или частично являют- ся аппаратными.

Представлен полностью программный алгоритм устра-нения подводных искажений и улучшения качества изоб- ражений. Такой подход не требует предварительной ка-либровки и одинаково эффективен при работе с изобра-жениями, полученными на глубинах от 30 до 100 метров. Предложенная модель искажений подводных изображений предполагает проводить обработку в следующем порядке. Вначале необходимо удалить аддитивную компоненту му-арового эффекта, который проявляется в виде узора, воз-никающего при наложении двух периодических сетчатых рисунков. Данный этап является очень важной частью алго-ритма, так как его отсутствие приводит к неэффективности дальнейшей фильтрации. После этого производится удале-ние мультипликативной компоненты прямого рассеивания, которая описывает фактор неравномерности освещения в полученном изображении. Данная компонента изменяет-ся сравнительно медленно, следовательно, для ее устране-ния целесообразно проводить гомоморфную фильтрацию в частотной области. В работах [19, 20] показано, что для полного устранения мультипликативных искажений ча-стотной области необходимо дополнительно осуществлять вейвлет и анизотропную фильтрацию подводных видеодан-ных, 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

Рис. 5. Схема формирования подводных изображений Рис. 6. Примеры полученных в ходе исследования ви-деоизображений с применением разработанного алго-ритма:А – исходное изображение,Б – изображение после обработки,В – увеличенный фрагмент исходного изображения,Г – увеличенный фрагмент изображения после обра-ботки

Источники освещения

Обратное рассеивание

Камера

Среда

Прямое рассеивание

Прямая передача

А

В

Б

Г


проводились на цветных 8-битных видеоизображениях размером 480x360 пикселей, с частотой 25 кадров в се-кунду, полученных на глубинах от 30 до 150 м. Кроме того, для анализа подводных изображений была использована модель «Макглаймери» [16] при гауссовском шуме как ад-дитивной составляющей, а также сужение цветового диа-пазона гистограммным методом [19].

В ходе экспериментальных исследований были подо-браны оптимальные параметры фильтрации. Жесткое задание параметров фильтрации позволило значительно увеличить скорость работы алгоритма. Данный алгоритм был протестирован на современном ПК с частотой про-цессора 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 видеопото-ком в режиме реального времени. Сравнение рисунков 6А и 6Б показывает, что обработанное изображение обла-дает большей четкостью.

Кроме того, анализируя увеличенные фрагменты изоб- ражений на рисунках 6В и 6Г можно сделать вывод, что после обработки становятся видны мелкие детали изобра-жения, а дальность визуального распознавания небольших объектов существенно увеличивается. Субъективная оцен-ка качества по ГОСТ 26320–84 показала, что разработанный алгоритм обработки позволяет увеличить качество подвод-ных 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.


В результате проведенных теоретических и эксперимен-тальных исследований создан прототип беспроводного оптического канала и сформулированы требования к его техническим параметрам. Определены предельные рас-стояния передачи информации в разных типах вод для под-водной системы передачи с бюджетом 45 дБ. Обоснована модель формирования подводных изображений, учитываю- щая особенности распространения света в водной среде, и создан алгоритм улучшения качества, позволяющий уве-личивать дальность видимости и распознавания подвод-ных объектов в 3–4 раза по сравнению с необработанным изображением. Субъективная оценка качества по ГОСТ 26320–84 показала, что разработанный алгоритм позво-ляет увеличить качество подводных видеоизображений с 3 до 5 баллов (по пятибалльной шкале).

Обоснован алгоритм сжатия подводных видеоизобра-жений формата NTSC разрешением 720×480, работающий в реальном масштабе времени при минимальной скорости передачи до 1,5 Мбит/c, что позволяет передавать видео- данные с хорошим (по пятибалльной шкале) качеством в режиме реального масштаба времени при сравнительно небольшой требуемой скорости канала связи. Разработана техническая документация на макет оптического приемо-передатчика, и по этой документации изготовлен макет си-стемы подводной беспроводной связи.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Иссле-дования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007–2013 годы (ГК 07.514.11.4083).


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 радиотехниче-ский 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. 1018-1024.

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.


52

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» выступил на форуме в двух «лицах»: в «лице» координатора межотраслевой тех-нологической платформы «Освоение океана» в экспозиции Российского фонда технологического развития, на кото-рой были представлены достижения и планы платформы; и в «лице» аффилированной компании ООО «Центр иссле- дований и разработок концерна Агат» (ООО «ЦИРКА») на экс- позиции космического кластера Фонда «Сколково», где был представлен созданный центром ультракомпактный без-опасный для глаз флуоресцентный лидар для дистанцион- ного 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, ра-ботающих 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 журна-лы «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

политики стран-партнеров», в ходе которого эксперты на-метили основные векторы дальнейшего сотрудничества.

На выставке Open Innovations Expo были представлены коллективные экспозиции 19-ти регионов России. Мас-штабная 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», «Росна-но», Российской венчурной компанией и др.

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 стар-тап-зоне, ставшей центром экспозиции Выставки, разместили свои проекты 110 команд. Open Innovations Expo в этом году также стала основной площадкой для Молодежной про-граммы 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.

54

Форум проводился при официальной поддержке Ми-нистерства промышленности и торговли РФ, полномоч-ного представителя Президента РФ в Северо-Западном Федеральном округе, Правительства Санкт-Петербурга, Торгово-Промышленной палаты РФ, Российского Союза Промышленников и предпринимателей, Союза промыш-ленников и предпринимателей Санкт-Петербурга.

По замыслу организаторов, форум должен содейство-вать реализации инновационного развития экономики ре-гиона, инженерному, энергетическому и транспортному оснащению промышленных предприятий, обеспечению их квалифицированными кадрами, формированию про-мышленных кластеров, повышению качества и конкурен-тоспособности продукции и способствует продвижению новейших разработок на международные и региональные рынки сбыта.

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».

55

В рамках VII Петербургского Международного Иннова-ционного Форума состоялась панельная дискуссия «Инно-вации 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 ор-ганизаций.

Модератор мероприятия: Кобылянский Валерий Влади-мирович, ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», сопредседатель координационного совета технологической платформы «Освоение океана», заместитель генерального директо-ра-генерального конструктора ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» 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 гене-рального директора по науке, ОАО «Концерн «МПО – Гидроприбор»;

• Ханычев Виталий Викторович, зам. генерального ди-ректора по научной работе, ОАО «ЦНИИ «Курс».

Обсуждались следующие вопросы:• Основные проблемы и вызовы на пути развития отра-

сли 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 технологи-ческим направлениям платформы «Освоение океана»;

• Привлечение крупного государственного и частного бизнеса в развитие этих технологий;

• Инициатива по созданию Дальневосточного инно-вационного 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 оте-чественных технологических решений на внешние рынки.

56

Организатор мероприятия – Министерство природных ресурсов и экологии РФ, при поддержке Русского геог-рафического общества, Совета Федерации Федерального собрания РФ, Правительства Москвы, МГУ им. М. В. Ломоно-сова, Российской академии наук.

Программа форума была насыщенна и разнообразна. Его ключевым событием стала Международная научная кон-ференция «Открытая Арктика», прошедшая в Центральном доме ученых РАН.

В пленарном заседании и работе круглых столов приня-ли участие заместитель председателя Правительства РФ А. Г. Хлопонин, министр природных ресурсов и экологии РФ С. Е. Донской, президент РАН академик В. Е. Фортов, рек-тор МГУ им. М. В. Ломоносова академик В. А. Садовничий, сотрудники ведущих российских научных институтов, ру-ководители компаний ОАО «НК «Роснефть», ОАО «Газпром нефть», ОАО «ГМК «Норильский никель», губернаторы арк- тических регионов, международные эксперты.

Участники конференции обсудили вопросы комплек-сного исследования и изучения Арктики, ее культурного

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 кон-ференцию «Открытая Арктика», фотовыставку с участием известных фотографов и III Между-народный фестиваль неигрового кино.

наследия, перспективы освоения арктической зоны, ра-ционального природопользования, устойчивого развитии региона. На заседании круглого стола «Комплексное изу- чение Арктики – основа устойчивого развития региона» секции «Климатические изменения в северной полярной области и их возможное влияние на жизнеобеспечение российского сектора Арктики» с докладом «Использова-ние технологий дистанционного зондирования в Арктике» выступил заведующий экспертным отделом ОАО Концерн «Моринсис-Агат» д. ф.-м. н. А. Ф. Бункин. Перспективы дис- танционных исследований с помощью новейших техноло-гий были также представлены в еще двух докладах сотруд-ников концерна.

В Мультимедиа Арт Музее состоялась фотовыставка «Арк- тика», на которой были представлены работы, знакомящие посетителей с современной жизнью и природой полярной зоны.

На III Международном фестивале неигрового кино «Арк- тика» были представлены на конкурс документальные и анимационные фильмы арктической тематики.

57

ПРОЕКТЫ, РЕКОМЕНДОВАННЫЕ ЭКСПЕРТНЫМ СОВЕТОМ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ «ОСВОЕНИЕ ОКЕАНА»

К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ

58

ОАО «ЦМКБ «Алмаз»* Санкт-Петербург

А.А. Пономаренко

*партнер ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

СОЗДАНИЕ СУДНАДЛЯ ПОДВОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ НА МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛАХ

59

Постановка задачи

Судно для подводно-технических работ пр. 20280 (рис. 1) проектируется на класс Российского Морского Регистра су-доходства: KM Arc7 [1] АUT1 DYNPOS-2 EPP Special purpose ship и предназначено для выполнения следующих задач:• инспекция и ремонт подводных частей морских соо-

ружений;• инспекция и ремонт подводных трубопроводов;• обследование морского дна;• участие в работах по установке на грунт частей под-

водно-технических сооружений и оборудования не-фтепромыслов;

• инспекционные и ремонтные работы нефтепромысло-вого оборудования;

• выполнение водолазных работ на глубинах до 300 м;• попутные гидрометеорологические исследования.

В качестве дополнительных задач судно должно обеспе-чивать оказание помощи судам и кораблям, терпящим бед-ствие, 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, даль-ность плаванья – порядка 6000 миль, автономность по запа-сам 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 аркти-ческие моря, доступные по ледовому классу.

Основные положения

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

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

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.

вид сбоку

вид сверху


Уровень автоматизации технических средств судна AUT 1 в соответствии требованиями Российского Морского Ре-гистра судоходства.

Исходя из опыта проектирования судов вспомогатель-ного флота для ВМФ на судне предусмотрена единая элек-троэнергетическая система с системой электродвижения разработки Научно-производственного центра «Судовые электротехнические системы» (НПЦ «СЭС»), состоящая из источников электроэнергии, распределительных щитов, преобразователей и гребных электродвигателей и систе-мой 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 кот-лоагрегатов и опреснительной установки.

Движительно-рулевой комплекс состоит из двух во-дометно-рулевых комплексов мощностью 3500 кВт, вы-полняющих 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 динамиче-ское позиционирование судна для проведения подводно-технических, водолазных и грузовых работ.

Предусмотрено для установки на судне следующее кра-новое оборудование:• грузовой электрогидравлический кран грузоподъем-

ностью 1000 кН (100 тс), оснащенный глубоководной лебедкой для обеспечения подъема грузов с глубины с устройством стабилизации натяжения;

• грузовой электрогидравлический кран грузоподъем-ностью 125 кН (12,5 тс), оснащенный глубоководной лебедкой, для проведения грузовых операций, отве-чающих потребностям судна;

• кран-манипулятор грузоподъемностью 7 т, для спу-ска и подъема автономных необитаемых подводных (АНПА) и других аппаратов.

Основная тенденция при работах на подводных нефте-газопромыслах – применение дистанционно управляемых подводно-технических средств. Однако на этапе отработки безводолазных технологий к условиям работы на аркти-ческом шельфе и проведении сложных монтажных и ре-монтных операций возникает потребность в проведении водолазных работ.

По статистическим данным доля месторождений с глу-бинами 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 ис-пользовать судно:

Рис. 2. Принципиальная схема компоновки глубоковод-ного водолазного комплекса

Рис. 3. Привязные самоходные аппараты инспекцион-ного (вверху) и рабочего (внизу) классов


• для выполнения зарубежных контрактов;• при разработке перспективных месторождений;• в операциях по оказанию помощи аварийным атом-

ным подводным лодкам.

Для обеспечения выполнения работ на судне планируют-ся к установке следующие подводно-технические средства:• глубоководный водолазный комплекс с рабочей глу-

биной 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 пла-нируется использовать при площадной съемке мест-ности 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 универсаль-ную платформу, имеющую высокий модернизационный потенциал. Судно может быть доработано в части исключе-ния излишних и выполнения дополнительных требований заказчика.

В качестве основных достоинств проекта можно выделить:• наличие больших по площади открытых частей палу-

бы позволяющих принимать дополнительное модуль-ное оборудование в контейнерном исполнении, что значительно расширяет возможности судна и соот-ветствует мировым тенденциям.

• единую электроэнергетическую систему с системой электродвижения, обеспечивающую высокую надеж-ность и экономичность эксплуатации;

• движительно-рулевой комплекс, обеспечивающий надежное управление и высокую маневренность во всем диапазоне скоростей движения судна и воз-можность динамического позиционирования при проведении работ;

• ледовое усиление корпуса ARC 7, не имеющее миро-вых аналогов для судов данного класса;

• высокое оснащение подводно-техническими средст-вами, крановым оборудованием, гидроакустическим

Рис. 4. Автономный обитаемый подводный аппарат (вверху) и автономный необитаемый подводный ап-парат (внизу)

и радиотехническим вооружением, значительно рас-ширяющее спектр выполняемых судном задач;

• размещение подводно-технических средств в закры-том 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 исполь-зовать его как судно обеспечения промысла.

62

СЕТЬ ДЕКАМЕТРОВОЙ РАДИОСВЯЗИДЛЯ АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА РОССИИ

Омский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института

математики им. С.Л. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук

Омск

Д.Е. Зачатейский

63

ОАО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»*

Омск

В.А. Березовский

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 радио‑ волн 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 сверх‑ дальние 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.

В «Основах государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федера-ции 18 сентября 2008 года (Пр – 1969), говорится о необходимости внедрения современ-ных информационно-телекоммуникационных технологий и средств связи (в том числе подвижных) и создания надежной системы оказания информационных услуг, обеспечиваю-щих эффективный контроль хозяйственной, военной, экологической деятельности в Арк- тике, а также прогнозирование и предупреждение чрезвычайных ситуаций, снижение ущерба в случае их возникновения, в том числе за счет применения глобальной навига-ционной спутниковой системы ГЛОНАСС.

Омский государственный технический университет*

Омск

В.Л. Хазан



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, превы‑ шающих 60 градусов;

• поглощение с внезапным началом (ПВН), возни‑ кающее 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

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.

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

Аномально повышенное поглощение КВ‑радиоволн в полярной ионосфере является одной из главных причин нарушения связи.

Авроральное поглощение – наиболее часто встре‑чающееся явление в высоких широтах, достав‑ляющее наибольшие трудности в поддержании устойчивой коротковолновой радиосвязи.


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.

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].

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.

100

80

60

40

20

0

Рис. 1. График зависимости мощности передатчика Р для обеспечения заданной надежности связи H от длины трассы (ЧТ, 282 бит/с, Рош = 0,0001)

H=99%

H=80%

H=95%

H=50%

1000 2000 3000 4000 L, км

P, дБ


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.

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, заим‑ ствованного 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‑

Р О С С И Я

УФАОМСК

ВОЛГОГРАД

КРАСНОЯРСК

УЛАН-УДЭ НИКОЛАЕВСК-НА-АМУРЕ

Рис. 2. Размещение базовых КВ-ретрансляторов при обслуживании заполярной зоны России


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.


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 Николаевск‑на‑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 экс‑ пертизу 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.].

68

Полярная комиссия Русского географического общества

Санкт-Петербург

А.А. Брыксенков

ЗАО «ЦНИИМФ»* Санкт-Петербург

А.Р. Шигабутдинов

69


Реализация информационного взаимодействия различ-ных служб, отвечающих за безопасность мореплавания, позволит обеспечить:• рациональное управление судопотоками, включая

пути, предназначенные для судов с опасными грузами;• возможность непрерывного высокоточного местооп-

ределения судов, гарантирующего их движение при любых условиях видимости;

• информационное обеспечение судов навигационной и гидрометеорологической информацией по арк- тическим морям;

• контроль местоположения судов и оказание им по-мощи в чрезвычайных и аварийных ситуациях;

• высокую эффективность проведения операций по поиску и спасанию, а также при ликвидации ава-рий и аварийных разливов нефти;

• надежную радиосвязь с операторами, контролирую- щими движение в обслуживаемой зоне, а также с бе-реговыми службами и Морскими спасательно-коор-динационными центрами;

• информационное обеспечение Администрации Северного морского пути, необходимое для опе-ративного руководства и контроля плавания судов по Севморпути.

Это требует создания единого информационного про-странства по обеспечению безопасности мореплавания, состоящего из подсистем сбора, обработки и хранения информации, объединенных в единую систему подсис-темой передачи информации. Таким образом, в эпоху глобализации всего общества о системах связи можно говорить только как о некой подсистеме в глобальном информационном пространстве.

Реализация современной высокоэффективной и конкурентоспособной системы мор-ского 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 бази-роваться на навигационно-гидрографическом обеспечении мореплавания, использовании глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS и их функциональных до-полнений, установлении систем управления движением судов, функционировании Глобаль-ной морской системы связи при бедствии для обеспечения безопасности, использовании средств автоматической идентификационной системы (АИС), в том числе спутникового мо-ниторинга АИС, установлении системы судовых сообщений.

СОЗДАНИЕ ЕДИНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА

ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ МОРЕПЛАВАНИЯ В АКВАТОРИИ СЕВЕРНОГО МОРСКОГО ПУТИНА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЦИИ РАДИООБОРУДОВАНИЯ

И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ОАО «Центральный научно-исследова-тельский институт «Курс»**

Москва

В.В. Ханычев

** ОАО Концерн «Моринсис-Агат»

Омский гоcударственный технический университет*

Омск

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



Служы cистем

управления движением

судов (СУДС)

Службы поиска и спасания

Другие пользователи

Службы безопасности мореплавания

и морской безопасности

(охраны)

Службы метеорологии

Береговая Сеть

Данные геоинформационных

систем (ГИС)

Портовые власти и лоцманские службы

Картографические службы и службы

подготовки извещений мореплавателям

Автоматическая управляющая и

информационная система

Автоматическая система конт- роля NAVDAT

Внешнний контроль-

ный приемник (NAVDAT)

Береговая радиостанция




Рис. 1. Интеграция информационного взаимодействия служб в рамках цифровой системы NAVDAT

Примером эффективности использования интегриро-ванных систем радиосвязи, работающих в разных каналах радиосвязи, является Глобальная морская система связи при бедствии для обеспечения безопасности (ГМССБ), представляющая собой комплекс обязательных техниче-ских средств и инфраструктуры, а также организацион-ных мер и правил для оказания помощи при бедствии и по обеспечению безопасности мореплавания.

Тем не менее, несмотря на свою высокую эффектив-ность, сегодня ГМССБ уже морально устарела. Одним из направлений ее модернизации является внедре-ние 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 совершенствова-ния управления судоходством в акватории Севморпути является комплексное использование новых спутниковых технологий и технических средств, создание сети контр-ольно-корректирующих станций дифференциальной под-системы ГЛОНАСС/GPS и интеграция различных систем радиосвязи с целью построения информационно-комму-никационной сети, зона действия которой охватывала бы Арктическую зону Российской Федерации, включая аква-торию Северного морского пути и устьевые участки рек.

Перспективное направление развития системы обес-печения безопасности мореплавания будет основано на внедрении новых технологических платформ, таких как электронная навигация (е-навигация), модернизированная ГМССБ и система передачи цифровых навигационных дан-ных NAVDAT (рис. 1).

УКВ-системы передачи данных в районах Крайнего Севера и Арктики имеют существенное ограничение вследствие повышенного поглощения радиоволн. При-менение средневолновых систем связи для этих регио- нов являются весьма актуальными. Интегрированные цифровые СВ-радиостанции (рис. 2) могут рассматри-ваться как альтернатива УКВ-радиосвязи в условиях от-сутствия развитой информационной инфраструктуры [8, 9].

Основной причиной, сдерживающей применение СВ-радиостанций на судах, являются большие габариты полноразмерных антенно-фидерных устройств, одна-ко сегодня созданы достаточно малогабаритные и эф-фективные средневолновые антенны (рис. 3), которые могут применяться на судах морского и речного тран-спорта.

Такие антенны являются резонансными, что оправ-дано для связного оборудования морской подвиж-ной службы, для которой выделены соответствующие участки частотного диапазона и жестко регламен-тированы частоты радиосвязи применительно к ка-ждому конкретному случаю. В то же время наличие


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 сиг-налов в системах связи и навигации заменена на ком-мутацию цифровых потоков.

Ключевым звеном интегрированных систем является цифровая аппаратура, построенная на принципах откры-той модульной архитектуры со стандартными интерфей-сами и единой операционной средой – технологии SDR (Software-definedRadio) программируемого радио, позво-ляющая программно конфигурировать технические сред-ства в зависимости от решаемых задач (рис. 4) [2, 10].

Рис. 2. Интегрированная цифровая СВ-радиостан-ция – альтернатива УКВ

Рис. 3. Малогабаритные и эффективные средневолно-вые антенны

Габариты рамочной антенны в собранном состоянии: 1450х72х35 мм

Передающий тракт

DDS

Блоксинхронизации

Демодулятор

Ethernet

UART Console

Внешняя синхронизация

Модулятор

DDR3 NAND FLASH

Zynq7000

Ядро ARM CORTEX-A9

Шин

а да

нны

х и

синх

рони

зиру

ющ

их с

игна

лов

Шин

а да

нны

х и

синх

рони

зиру

ющ

их с

игна

лов

АЦП

SPI Шина

Радиочастотный блокБлок цифровой обработки сигнала и транспорта

SPI Шина

Перенос на ПЧ иФильтрация

Аналоговый приемный тракт с управляемым

усилением

Час

тота

оц

ифро

вки

сигн

ала

Внешняясинхронизация

Частота гетеродина

Рис. 4. Реализация принципа открытой модульной архитектуры со стандартными интерфейсами и единой опе-рационной средой – технология SDR (Software-definedRadio)

Антенны Ноэма СВ-М1 и Ноэма СВ-Б1Линейные размеры антенн соответственно 50х50х655 мм и 50х50х800 мм, масса – 2,9 кг.


Рис. 5. Возможный алгоритм множественного доступа корреспондентов к удаленному ретранслятору (час-тотно-временной метод)

Частотный доступ корреспондентов

Удаленный РТЛ

Блок хранения

τ

Синхросигнал

А Б

∫1

∫1

АСтSA(t)

SБ(t)

АСтtt1 t2 t3 tn

А+БS*

А

Б

∫2

∫2 ∫3 ∫4∫

2500 ... 3000 км

300

... 5

00 к

м

Временные позиции сигналов в групповом потоке

А+Б

N

N

i=1

i=1

А БS* =

А+Б А,Б А <S* = ∫ *

S (t)⊕ S (t)

S (t)⊕ S (t))(

∑

∑

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 разра-ботчик ОАО «ЦНИИ «Курс»).

Таким образом, сегодня можно говорить о возможности построения на основе современного цифрового связно-го оборудования сетей радиосвязи для создания единого информационного пространства в акватории Северного морского пути [11, 12]. При этом модернизированное обо-рудование 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 стандар-тизованных сетевых технологий и сетей пакетной радио- связи появляется возможность построения совмещенной сети на основе единого алгоритма обмена пакетами. Одним из возможных алгоритмов множественного доступа кор- респондентов к удаленному ретранслятору является ча-стотно-временной метод (рис. 5), при реализации которого, между абонентской станцией и удаленным ретранслятором выделяются (назначаются) отдельные группы рабочих ча-стот [13].


Очевидно, что сегодня назрела необходимость созда-ния единой организационной структуры по руководству в области проектирования и создания систем связи и мо-ниторинга на Крайнем Севере [14].

На единую организационную структуру целесообразно возложить решение задач по координации деятельности:• по разработке и созданию интегрированной систе-

мы связи и передаче данных Российской Федерации в Арктической зоне;

• по разработке, созданию и развитию средств и тер-риториальных органов использования информации как существующих, так и перспективных систем ди-станционного зондирования Земли в интересах раз-вития Арктики;

• по созданию единой системы координатно-времен-ного обеспечения России в Арктической зоне.

• по формированию общей стратегии развития инфо-коммуникационных систем.

В прошлом номере опубликована статья, в которой анализировались возможности информационного обес-печения безопасности мореплавания на трассах Севмор-пути. Данная статья представляет проект реального воплощения подобной системы.


1. Общие принципы ГМССБ. Электронный ресурс http://moryak.biz/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=5792. Дулькейт И. В., Свирский В. М., Шигабутдинов А. Р. Принципы построения системы обеспечения безопасности мореплавания в ар-

ктических 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=8005. 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 обес-

печения безопасности мореплавания в акватории Северного морского пути / Связь на Русском Севере: Тезисы докладов конфе-ренции. – Москва, 03–04 сентября 2014. – С. 11.

9. Дулькейт И. В., Завьялов С. А., Хазан В. Л. Перспективы использования средневолнового диапазона для информационного взаи-модействия хозяйствующих субъектов в Арктике и обеспечения безопасности мореплавания в акватории северного морского пути / Развитие Арктики и приполярных регионов: Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции. – Екате-ринбург, 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 мор-ской 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 Ар-ктики 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. Дуль-кейт, 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 инфор-мационного 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.


74

СОЗДАНИЕ УРАЛЬСКОГО ПОЛЯРНОГО ТРАНСПОРТНОГО КОРИДОРА

Свердловский областной союз промышленников и предпринимателей

Уральский строительный кластер

А. В. Сысоев

75

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‑

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 мор-скому пути в объемах 50 млн тонн в год и строительстве на полуострове Ямал порта Сабетта – многофункционального транспортного узла, через который будут не только вывозить сжи-женный 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.

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 аркти-ческого морского порта Сабет-та началось в июле 2012 года в северо-восточной части полу-острова Ямал, на западном бере-гу Обской губы. Его планируется использовать для обеспечения перевалки углеводородного сырья Южно-Тамбейского месторожде-ния и поставок природного газа, нефти и газового конденсата мор-ским транспортом в страны За-падной Европы, Северной и Южной Америки и страны Азиатско-Тихо-океанского региона. В перспекти-ве порт Сабетта должен стать многофункциональным. Это позво-лит вывести большое количество регионов России через Северный морской путь в Мировой океан, повысив тем самым конкуренто-способность российской промыш-ленности и экономики в целом



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 Ханты‑

Мансийского автономного округа – Приобье – Ханты‑Мансийск;

• строительство моста через Обь, автомобильного моста в поселке Андра и открытие автодороги от Приобья до Надыма.

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 При‑

обья 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. 2. Карта развития Уральского полярного тран-спортного коридора

Железнодорожный путь:

Водный путь:

Автомобильный путь:

Серов – ПриобьеСеров – Приобье

Приобье – Салехард – Сабетта – Приобье – Сургут

Салехард – Сабетта

Приобье – НадымИвдель – Ханты-МансийскИвдель – Ханты-Мансийск


• 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 потреби‑ телей» 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

Рис. 3. Коммерческая экспедиция «Тюмень – Сабетта – Китай», организованная в 2013 году Российским Сою-зом промышленников и предпринимателей позволила впервые испытать потенциал новой транспортной схе-мы. 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, себе- стоимости 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


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.

Рис. 4. Сегодня на Ямале уже реализовано строительство железной дороги на отрезке Обская – Бованенково

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, закры‑ ваются 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.

80

81

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 на-ходиться в зоне вечной мерзлоты. Например, в Китае эти районы составляют 11 % всей территории, а в Ав-стрии – 2 %. В России запасы подземных льдов криолито-зоны, занимающей площадь 10 млн км2, составляют около 19000 км3, что дает право называть вечную мерзлоту под-земным оледенением. Кроме того, Россия обладает при-мерно 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 оце-ниваются многими ведущими отечественными специа-листами более чем в 100 млрд тонн условного топлива. При этом наибольший объем, около 90 %, сосредоточен в арктических морях, в которых распространены подвод-ные многолетнемерзлые породы [1]. Воды арктических морей очень холодны, на многих участках фиксируются

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.

даже отрицательные температуры (от –0,5 °C до –1,5 °C) придонной воды. Многолетнемерзлые породы шельфов делятся на два типа [2]: ледниковый (Баренцево и Кар-ское море) и внеледниковый (море Лаптевых, Восточ-но-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 ме-тров, особенно в восточных морях российской Арктики. Изучение мерзлоты на шельфе важно для поиска газогид- ратных месторождений, поскольку само существование этой субстанции возможно лишь в относительно узком термодинамическом диапазоне, характеризующемся вы-соким 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

Уральский федеральный университет

им. первого Президента России Б.Н.Ельцина*

Екатеринбург

Н.А. Ваганова

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

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


М.Ю. Филимонов



приходится сносить десятки многоэтажных домов, по при-чине морозного пучения только в 2007–2009 годах среза-но около 8 тысяч опор для газопроводов на территории Ямбургского газоконденсатного месторождения, около 40 % всех инженерных сооружений в криолитозоне под-вергаются деформации. По зарубежным данным, Газпром ежегодно тратит более 1,9 млрд долларов на восстановле-ние инфраструктурных объектов, пострадавших в резуль-тате растепления многолетнемерзлых пород. Различные сценарии изменения климата показывают, что глобальное потепление в полярных регионах будет нарастать и, уси-ленное 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 считает-ся, что две скважины не могут быть пробурены на расстоя-нии 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, приво-дит к растеплению этих пород, что, в свою очередь, может приводить к авариям и даже к разрушению скважин.

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 спо-собствовать 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 мно-голетнемерзлых пород, требуется учитывать различные климатические, физические и техногенные факторы.

К первой группе факторов относятся солнечное излу-чение, сезонное изменение температуры воздуха, при-водящее к периодическому протаиванию/промерзанию грунта, и возможный снежный покров. Ко второй – тепло-физические параметры грунтов, меняющиеся в зависи-мости от влажности, их неоднородность и температура. К третьей – возможные источники тепла от добываю-щих и нагнетательных скважин, факельных систем (если сжигается попутный газ, например, при добыче нефти),


СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ИЗОЛЯЦИЯ

xy

z

ТЕП

ЛОО

БМЕН

ТЕП

ЛОО

БМЕН

ИЗЛ

УЧЕН

ИЕМ

Рис. 1. Схема расчетной области

трубопроводов, фундаментов сооружений и т. п. Кроме этого, необходимо учитывать и теплофизические пара-метры применяемой теплоизоляции, а также различных устройств, например, сезонно действующих охлаждаю-щих устройств, используемых для термостабилизации (охлаждения) грунта.

В соответствии с работами [4–7] предложена матема-тическая модель для долгосрочного прогнозирования последствий освоения и эксплуатации нефтегазовых месторождений, расположенных в зонах распростране-ния 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) те-плопроводности с неоднородными коэффициентами, включающее локализованную теплоемкость фазового перехода – подход, позволяющий решать задачу типа Сте-фана, без явного выделения границы фазового перехода. Уравнение имеет вид:

(1)

с учетом начального условия распределения температуры в грунте:

(2)

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 теплопро-водности [Вт/м • К],

k=k (x, y, z) – теплота фазового перехода, δ – дельта-функция 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, учиты-вающий географические координаты конкретного ме-сторождения, литологию грунта и другие особенности выбранного места.


100q, дВт/(м2 с)Tair' °C

90

70

50

30

10

-10

-30

янва

рь

фев

раль

мар

т

апре

ль

май

июнь

июль

авгу

ст

сент

ябрь

октя

брь

нояб

рь

дека

брь

2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200

-2

-4

-6

-8

-10

-12

-14

-16

T, °C

Рис. 2. Интенсивность солнечной радиации (красный) q и средняя температура воздуха (синий) по месяцам Tair для заданного географического места

Рис. 3. Распределение температуры в грунте в зави-симости от глубины

Остальные параметры, входящие в условие (3), опреде-ляются с учетом данных геофизических исследований для конкретного нефтегазового месторождения. На рисун-ке 3 представлены данные разведочной скважины о рас-пределении температуры в грунте в конкретный момент времени.

Применяя разработанный итерационный алгоритм для определения некоторых параметров, входящих в нелиней-ное граничное условие (3), удается их так определить, что-бы 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 про-грамм Wellfrost V 1.3, на который было получено свиде-тельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660988 от 4 декабря 2012 года (авторы Вагано-ва Н. А., Филимонов М. Ю.). Данный комплекс программ был апробирован на восьми нефтегазовых месторождениях, расположенных в зоне вечной мерзлоты, для обустрой-ства которых были разработаны на основании численных расчетов по пакету Wellfrost соответствующие Регламенты, прошедшие техническую экспертизу и утвержденные в Рос- технадзоре. 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 много-летнемерзлых пород на месторождении «Русское». В ходе сравнения численных и экспериментальных данных о на-хождении границы растепления ММП (нулевой изотермы в грунте) от нагнетательной скважины, эксплуатируемой 3 года, было показано, что численные результаты с точно-стью 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, получен-ные для ряда российских северных нефтегазовых место- рождений.

В условии (3) показатели интенсивности солнечной ради-ации и сезонных изменений температуры воздуха берутся из данных метеостанций либо задаются на основании от-крытых климатических данных NASA. На рисунке 2 пред-ставлены исходные данные для конкретного нефтегазового месторождения.


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 z, °C

x, m x, m

(а) (б)

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

z, °C z, °C

x, mx, m

(а) (б)

Для минимизации влияния источников тепла (скважин) на ММП используются теплоизоляционные материалы, различные способы эксплуатации месторождений и устройства для термостабилизации грунта. При модели-ровании термостабилизации в расчетную область добав-ляются сезоннодействующие охлаждающие устройства, которые за счет физических законов в холодное время года охлаждают грунт, а в теплое – не работают. На ри-сунках 7 (а) и 8 (а) представлены тепловые поля (в пло-скости 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 охла-ждающих устройств, расположенных вокруг скважин.

На рисунках 4 и 5 представлены температурные поля (срезы в плоскости xz) для двух рядом располо-женных скважин, по которым добывалась нефть с тем-пературой 40 °С. В качестве теплоизоляции для этих скважин использовались термокейсы до глубины 22 ме-тров. Температура многолетнемерзлых пород ниже вли-яния 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 представ-лены движения нулевых изотерм от левой скважины, ко-торая работала 6 лет, а потом в течение 6 лет остывала, испытывая влияние правой работающей скважины.


Рис. 7. Термостабилизация грунта вокруг скважин в течение 2 лет: (а) – без использования сезоннодействую-щих охлаждающих устройств, (б) – с использованием сезоннодействующих охлаждающих устройств, горизон-тальные срезы на глубине 10 метров

x, m

y, m

y, m

x, m

(а) (б)

Планируется, что разработанные численные методики и алгоритмы будут адаптированы для суперЭВМ и интег-рированы 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, по-зволяющего 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 гра-фическую информацию о распределении температурных

полей в грунте). При развитии описанных выше моделей и численных методик планируется следующее:

1. Разработка математических моделей и новых вычи-слительных технологий для долгосрочного прогнози-рования изменений в арктических и северных районах России при различных сценариях техногенного и кли-матического 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 трех-мерных температурных полей в многолетней мер-злоте от различных технических систем с учетом их взаимного влияния (например, полного трехмерного

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

z, °C z, °C

x, m x, m

(а) (б)


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 си-стем // 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.


Рис. 8. Термостабилизация грунта вокруг скважин в течение 8 лет: (а) – без использования сезоннодействую-щих охлаждающих устройств, (б) – с использованием сезоннодействующих охлаждающих устройств, горизон-тальные срезы на глубине 10 метров

x, m x, m

y, m y, m

(а) (б)

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 раз-рабатываемые пакеты программного модуля по рас-чету допустимых нагрузок на ствол скважины для предотвращения возможных аварий.

3. Создание рабочей группы по организации аутсорсин-говых «облачных» услуг при проведении удаленных вычислений на суперЭВМ потенциальными заказчика-ми, не обладающими необходимыми навыками матема-тика-вычислителя, т. е. включение интеллектуального потенциала разработчиков программ для помощи поль-зователям, который для них останется не замеченным.

Выводы

Проведение численных расчетов по обустройству кусто-вых площадок позволяет повысить безопасность и эффек-тивность 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 со-кратить на 50 % размер рабочих площадок для размещения устьев добывающих нефтяных скважин для Восточно-Урен-гойского ЛУ Валажинской залежи.

88

Институт экологии растений и животных УРО РАН


К. В. Маклаков

Уральский федеральный университет им. первого

Президента России Б.Н.Ельцина*


Н. В. Малыгина


89

Контроль численности популяции дикого северно-го оленя, а также пути миграции отдельных стад можно производить с помощью спутниковой фотографии. Мето-дики 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 кор-рупцией, пресечение нелегальной торговли и т. д., здесь уместно применение современных технических средств контроля, включая наблюдение за стадами в криминоген-ных районах с беспилотных летательных аппаратов с фик-сацией преступлений и формированием доказательной судебной базы.

Анализ динамики кормовой базы оленей – важная область приложения современных методов дистан-ционного контроля. Современная спектрозональная спутниковая съемка позволяет с большой точностью определять видовое разнообразие растительности и следить за его динамикой. Для более детального из-учения и контроля биоты также уместно применение беспилотников. Оснащенные современной лидарной ап-паратурой беспилотники могут осуществлять контроль за температурно-влажностным режимом почв, на осно-вании чего можно делать достаточно обоснованные про-гнозы кормовой базы и миграции стад оленей.

Таким образом, на основе современных дистанцион-ных методов контроля параметров окружающей сре-ды и специализированных геоинформационных систем возможно создать методику прогнозирования мигра-ции дикого северного оленя и его продуктивности, что в большой степени определяет жизнь и поведенческие механизмы малочисленных народов Севера [1].

Цель проекта: поддержание благосостояния и выжи-вания аборигенного населения северных регионов в усло-виях 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 малочислен-ных народов Таймыра;

• состояния растительности тундры как кормового ресурса для диких северных оленей;

• климатических изменений и их влияний на экоси-стемы 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 состоя-

ния коренных народов, проводимый на основании моделирования и количественных характеристик ос-новных факторов и ресурсов, определяющих благо-состояние, демографическую динамику и численное соотношение народов Севера;

• разработку нормативно-правовых мер в области природоохранной и культурной политики по со-хранению и поддержанию благосостояния корен-ных малочисленных народов.

Методы. Системно-экологический анализ на основе моделирования социально-экономического состояния народов Севера и популяции дикого северного оленя как

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА АНТРОПОГЕННОГО

ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОСФЕРУ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ

Сохранение малых народов Севера непосредственно связано с сохранением среды их об-итания. 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 ба-ланса из-за промышленной нагрузки и связанной с ней деградацией кормовой базы оленей (растительности). Оба эти фактора могут контролироваться с помощью современных методов дистанционного мониторинга.


основного биоресурса в Таймырском автономном округе (рис. 1). В настоящее время подбор параметров и точный анализ системной динамики стал возможен благодаря раз-витию вычислительной техники и разработке средств ими-тационного моделирования. В частности, при выполнении проекта планируется применять программный пакет для имитационного моделирования AnyLogicUniversity отече-ственной разработки [2].

Интенсивно развивается применение спутникового зон-дирования для определения чистой первичной продукции, индекса листовой поверхности и других параметров расти-тельного покрова. На настоящий момент дистанционное зондирование Земли является фактически единственным способом, который позволяет регулярно получать инфор-мацию о продуктивности растительности, как на глобаль-ном, 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 рабо-тах 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,

GLO-PEM, SDBM, TURC, SIB2, MODIS-NPP. Однако все эти модели были разработаны для глобального масштаба и яв-ляются 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 назем-ными 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 браконьерско-го отстрела даст широкий набор возможностей для изучения и регулирования популяции. Эти инновационные технологии требуют своего освоения, апробации, обучения обслуживаю-щего персонала, что является заделом на будущее развитие.

Представление предварительных результатов работы на международных конференциях и публикации в рецен-зируемых, в том числе и зарубежных изданиях, позволяют сделать вывод о том, что планируемое исследование соот-ветствует мировому уровню.

Рис. 1. Район исследований

Дикие северные олени на водной переправе (Восточ-ный Таймыр, р. Хатанга)


Таблица 1 Валовой запас кормов по ботанико-географическим регионам Восточного Таймыра [17]

Ботанико- географические регионы

Площадь зон и подзон, тыс. га

Запас кормов в воздушно-сухом состоянии, т

лишайниковые травы ивы / ерниквсего зеленых

кормовна 1 га всего на 1 га всего на 1 га всего

1. Полярные пустыни

1 264 нет 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 средние тундры

6 260 0,065 406 900 0,24 1 502 400 0,07 / 0,05438 200 / 313 000

2 253 600

4. Южные тундры

1 848 0,09 166 320 0,24 443 520 0,13 / 0,05240 240 /

92 400776 160

Итого 13200 - 726 340 - 2 914 536 -856 840 / 405 400

4 176 776

Природа Таймыра


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 нерегули-руемым коммерческим отстрелом может привести к нео-братимым 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 проек- та по динамике численности популяции диких северных оленей позволяют говорить о существовании естественной саморегуляции популяции на Таймыре, в которой воздейст-вие хищников и человека пока не является определяющим.

Прогноз влияния промышленного освоения Таймыра на экосистему в целом, состояние популяции дикого север-ного оленя и, как следствие, на местное население является одной из главных задач междисциплинарного проекта. Ста-вящиеся задачи освоения Крайнего Севера вынуждают, по-мимо необходимости защиты природных экосистем, давать ответы на такие сложные вопросы, как: Возможна ли под-держка аборигенных народов с помощью создания допол-нительных экологических связей с внешним миром через товарно-денежные отношения? Повлияет ли это на состоя-

ние населяемых ими «кормящих» экосистем? По каким кри-териям 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 зональ-ных 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 фор-муле В. Н. Андреева [5], исходя из запасов зеленых кормов, составляет 272,3 тыс. голов. При такой численности на одно-го оленя приходится менее 48,5 га пастбищ, или 2,1 голов/км², что соответствует очень высоким пастбищным нагрузкам. Опыт Ямала показал, что оценки оленеемкости выдающего-ся исследователя В. Н. Андреева все же были заниженными и не предполагали возможности пастбищ выдерживать на-грузку от современного поголовья домашних оленей.

Популяция диких оленей уже испытала на себе сущест-венное воздействие со стороны человека в индустриаль- ную эпоху. Свидетельством этого является изменение исконных путей миграции и исчезновение ряда локальных популяций вблизи Норильского промышленного комплек-


са [6]. Однако обилие дикого северного оленя является важным свидетельством сохранения биоразнообразия Се-вера, окружающей среды, а для населения промышленных районов Таймыра представляет еще и рекреационно-эсте-тическую ценность.

В этих условиях возрастает необходимость любой формы защиты «кормящего ландшафта» аборигенного населения cеверных регионов как основы их жизнеобеспечения и вы-живания. Этно-хозяйственный уклад малых народов Севера точно экологически и культурно сбалансирован с кормя-щими биоценозами и обитающими в них видами. Любые со- циальные и технические вмешательства в их жизнь нарушают веками установившуюся гармонию взаимоотношений ко-ренного населения Севера с его «кормящим ландшафтом», вызывают фрустрацию функциональных связей коренных жителей с природой. Таймырская популяция дикого север-ного оленя на сегодняшний день находится в достаточно благоприятной ситуации как по природным, так и по со-циально-экономическим причинам. На полуострове Тай-мыр 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 сочета-нии и с промышленным освоением и увеличением факто-ра 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].

Демографическая структура коренного населения Таймыра

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

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 кото-рых является охота (и рыбная ловля), общий объем доступ-ного ресурса зависит прежде всего от состояния экосистем и популяций диких животных, а не от эффективности трудо-вой деятельности и социальной организации (как в аграр-ных и индустриальных обществах).

Полуостров Таймыр выделяется тем, что на нем распо-лагается наибольшая в Евразии популяция диких север-ных оленей, что, в свою очередь, делает невозможным или нерентабельным крупностадное оленеводство до-машних оленей. Состояние аборигенных народов оказы-вается тесно связанным с природной популяцией диких животных, подверженной естественной саморегулирую-щейся динамике.

С точки зрения экологии человека полуостров Таймыр, благодаря многонациональному составу коренного на-селения, 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 ис-полнителей 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).

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

Рис. 2. Динамика численности коренных народов в Тай-мырском автономном округе в XX веке [8]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020-4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,50,5долганы

ненцы

нганасане

эвенки

энцы

1 1,5 20

0Ч

исле

ннос

ть

годы Логарифм ранга i

y=-2,0709x - 0,2773

R2=0,9461

Лог

ариф

м д

оли

p(i)

Энцы

Эвенки

Нганасаны

Ненцы

Долганы


1. Рыбаков О. К., Н. В. Аллилуева. Беспилотные летательные аппараты в изучении и освоении Арктики // Морские информационно-управляющие 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 стати-стики 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.


На примере Крайнего Севера отчетливо видна систе-ма 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 значе-ние, накопленный предыдущими исследователями обшир-ный количественный материал [9–15] требует взаимной увязки и формализации в обобщающей модели. В каче-стве модельной территории определен полуостров Тай-мыр (Долгано-Ненецкий автономный округ) с возможной экстраполяцией полученных результатов на территорию всего циркумполярного региона. Пастбищные угодья по-луострова используются северными оленями тысячи лет и адаптированы к выпасу этих животных, однако влияние выпаса оленей на растительность пастбищ зависит от паст-бищных 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 челове-ка) модель конкуренции за ресурс, но и более общую мно-горесурсную модель.

Проблема, к решению которой может вести предла-гаемый проект, существует не только на региональном уровне, а может являться глобальной в буквальном смысле. Переживаемый человечеством в связи с глобальной ур-банизацией и индустриализацией стремительный по исто-рическим меркам демографический переход теоретически по оптимистическим прогнозам должен завершиться ста-билизацией численности населения на пока неизвестном уровне. При существующей культурной и экономической дифференциации и ограниченности промышленных ре-сурсов прогнозирование стационарного соотношения чи-сленности населения разных народов и континентов в глобальном масштабе, а также решение вопросов, какими путями возможно достижение такой стабилизации, долж-но осуществляться на основе исследований на модельных объектах, одним из которых является уникальный по своим характеристикам регион полуострова Таймыр.

96

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. 29Тел.: +7 495 603-9034E-mail: [email protected], [email protected]: 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.

Обложка: © ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», 2014 Подписано в печать: 19.12.2014 г. Тираж: 1000 экз.

ISSN 2308-2119

Documents

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