Дронная разведка оперативно-ледовой обстановки при движении по Северному морскому пути

В статье рассмотрены преимущества и перспективы внедрения дронов для ледовой разведки на СМП, так как, изучение и освоение Арктики, развитие СМП – один из приоритетов России. Для рационализации процесса прибегают к использованию беспилотных летательных аппаратов (далее БПЛА) и нейросетей – они будут определять места, представляющие наименьшую опасность для судоходства, а также на основе предоставленных ими данных, в будущем будет составлена единая цифровая экосистема, которая предоставит данные для зарегистрированных пользователей: грузоперевозчиков, судовладельцев, капитанов судов, лоцманов и страховщиков. Создание цифровой экосистемы включает установку бортовых автоматизированных информационно-измерительных комплексов на судах в акватории СМП. Предполагается, что благодаря данным таких комплексов удастся повысить точность оценки метеорологической и навигационной обстановки.

Исследования навигационной обстановки в арктических и антарктических бассейнах проводятся в настоящее время раз- личными странами , такими как США, Норвегия, Австралия и Россия.

В 2012 году небольшой по размерам (2,5 фунта) дрон использовался американским ледоколом при ледовой проводке танкера «Ренда» в Беринговом море для определения минимального расстояния маршрута проводки по отношению к побережью Аляски. Сигнал с дрона передавался на планшет.

Японское агентство JAMSTEC (The Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology) в настоящее время осуществляет план по строительству ледокола для плавания в бассейне Северного ледовитого океана. В состав оборудования ледокола будут входить вертолеты, дроны и автономные подводные аппараты.

Ледовая разведка (ЛР) – инструментальное и визуальное наблюдение за ледовой обстановкой. Ледовая обстановка – состояние ледового покрова на морях и внутренних водных путях (реках, озерах, водохранилищах), влияющее на условия и безопасность плавания кораблей (судов).

Диагностирование ледового покрытия с помощью спутниковых систем имеет определенную точность, но при таянии льда точность этих данных имеет достаточно большую погрешность. Вода на поверхности льда искажает сведения, полученные с помощью методов спутниковой разведки. В связи с эти возникает необходимость получения дополнительных, более точных сведений о характере ледовых полей, толщине и других свойствах льда на конкретном участке маршрута ледокола, транспортного или спасательного судна. Неточность сведений приводит к излишним затратам на ледовую проводку судов по СМП. Ледовая разведка проводит сбор и изучение данных о характере и состоянии ледового покрова в полностью или частично замерзающих морях с целью обеспечить безопасность плавания судов и другие виды хозяйственной и научной деятельности.

Методы ледовой разведки [1]:

• -    водная;

• -    авиационная (воздушная);

• -    космическая (спутниковая).

Водная ледовая разведка ведется:

• -    береговыми гидрометеорологическими постами и станциями;

• -    наземными и дрейфующими на льду гидрометеостанциями и автоматическими радиометеостанциями;

• -    судами (особенно ледокольного типа).

В настоящее время ледовая разведка выполняется с помощью нескольких видов съемок льдов, при этом используются:

• -    георадарная съемка;

• -    аэрофотосъемка.

Георадиолокация основано на излучении и приеме электромагнитных волн. Для зондирования исследуемой среды используется георадар – прибор радиолокационного зондирования (GPR – Ground Penetrating Radar).

Георадар состоит из 3-х частей:

• -    блок управления;

• -    блок регистрации (ноутбук);

• -    антенна.

Высокочастотная антенна (свыше 700 МГц) осуществляет зондирование на незначительную глубину (не более 2 м) и выявляет элементы до 10 см. Среднечастотные (ок. 500 МГц) и низкочастотные антенны (менее 100 МГц) проникают на глубину 5-40 метров и могут применяться для измерения толщин льда.

Рис. 1. Георадар Zond-12e Drone 500A установлен на коптер DJI M600 Pro. Частота антенны 500 МГц [1]

Рис. 2. Ледомер ЛД-400. Измеряемая толщина льда и снега в режиме зависания на высоте 5-10 м. - не менее 2 м. Частота антенны 400 МГц [3]

Преимущества использования георадара на БПЛА [4]:

• -    БПЛА обеспечивает большую точность съемки, способен выдерживать скорость и курс полета, благодаря встроенному GPS и автоматизации полета;

• -    способность выдерживать высоту полета относительно рельефа местности в случае применения высотомера;

• -    высокая производительность;

• -    нулевой риск для персонала - проведение работ без входа в зону обследования;

• -    экономичность в сравнении с пилотируемой авиацией;

• -    возможность передачи данных с БПЛА в режиме реального времени;

• -    быстрая развертываемость и возможность выполнения взлета / посадки с ограниченной площадки, в случае применения коптера или конвертоплана;

• -    компактность и небольшой вес комплекса, позволяющие располагать оборудование даже на маленьких судах.

Георадарная съемка с БПЛА.

Недостатки использования георадара на БПЛА:

• -    влияние погодных условий;

• -    ограничение веса применяемой на БПЛА полезной нагрузки;

• -    выполнения полета на минимальных высотах (рекомендация применения радара частотой 500 МГц на высоте не более 1 метра над поверхностью);

• -    продолжительность полета БПЛА ограничена запасом применяемых аккумуляторов;

• -    георадар неэффективен для применения в соленой воде - в ней происходит

быстрое затухание сигнала, что может снижать глубину зондирования до нуля. Несмотря на меньшее чем у воды затухание радиосигнала в соленом льду, использование георадаров для зондирования льда может быть осложнено наличием трещин и полостей с соленой водой что негативно влияет на качество получаемых данных.

Изначально наиболее эффективным способом изучения ледовых полей была аэрофотосъёмка с помощью самолетов, которая давала общие сведения о состоянии льда в различных районах. Затратность этого способа в настоящее время можно значительно уменьшить с помощью БПЛА. Первые полеты беспилотных аппаратов в Антарктике были совершены в прошлом веке на относительно небольшие расстояния, около 25 морских миль. Современные комплексы позволяют значительно увеличить длительность и дальность полетов.

Аэрофотосъемка с БПЛА также активно используется при освоении СМП. В случае обнаружения айсберга, ледника, на основании полученных данных можно сформировать его 3D-модель, рассчитать габариты, оценить угрозу для объектов морской инфраструктуры. Если обнаруженный айсберг будет признан потенциальной угрозой, возможно провести его маркировку путем сброса радиомаяка, с последующим отслеживанием его перемещений, наблюдением за изменениями габаритов. БПЛА повышенной дальности (6-14 часов полета) могут проводить фотосъемку морских участков в автоматическом режиме. Полученные данные будут обрабатываться в общем информационном центре. Ин- струменты для проведения воздушной ЛР Аэрофотосъемка (АФС) с БПЛА.

Для проведения мониторинга морских акваторий в целях обеспечения проводки судов эффективно применять БПЛА судового размещения, типа конвертоплан.

Удаление беспилотника от судна и высота полета определяется навигационными задачами судоходства. Использование нескольких БПЛА позволит проложить наиболее оптимальный маршрут ледовой проводки, транспортного или спасательного судна. Оперативность данных радиолокационного изображения и передача их на станцию управления даст возможность оптимизировать движение судна по маршруту. Создание моделей позволит улучшить качество принимаемых судоводителем решений по управлению судном.

Конвертоплан совмещает признаки самолета (несущие плоскости крыльев и хвостовое оперение с устройствами управления) и квадрокоптера (четыре винта в горизонтальной плоскости для вертикального подъема). Исследования, проводимые в этой области, осуществляет национальный исследовательский университет «Физтех». Базовый аппарат, который МФТИ приобрел у своего технологического партнера, постоянно модифицируется. Меняются детали фюзеляжа, силовая установка, топливная система, система управления.

Масса конвертоплана с оборудованием - около 55 кг, размах крыльев - 4 м. Его можно разобрать и сложить в ящик размером примерно с офисный стол. Беспилотник автоматически перемещается по заданным точкам, привязанным к электрон- ной карте, не боится осадков и низкой температуры, выдерживает скорость ветра при взлете и посадке 20 м/с. Главная опасность для него - обледенение. Топливо -обычный бензин, бака хватает на четыре-пять часов полета. Винты взлета и посадки работают на аккумуляторах.

Предлагается базирование БПЛА на ледоколах, необходимо изучить возможность размещения их на транспортных и спасательных судах. Для развертывания систем ледовой разведки нужно обучить пилотов, операторов, штурманского состава.

Использование БПЛА потребует специальной подготовки лоцманских служб, которые оказывают услуги по ледовой проводке.

Необходимо обновить правовую базу: аппараты тяжелее 30 кг подчиняются общим регламентам полетов больших пилотируемых воздушных судов, но это не подходит для оперативного мониторинга СМП. Пока запускать беспилотники планируют в экспериментальном режиме по индивидуальному разрешению.

Преимущества применения конвертоплана [5]:

• -    взлет и посадка с палубы судна (вертолетной площадки); при необходимости можно осуществить посадку БПЛА на ледовую площадку без риска повреждения полезной нагрузки;

• -    планирование автоматического полета в зависимости от локации самого судна и предполагаемого курса следования;

• -    оперативное развертывание;

• -    большая энергоэффективность чем у мультикоптеров.

  

  Рис. 3. Процесс аэросъемки льдов с БПЛА [6]

  
  

В настоящее время в России разработы-ваются и успешно испытываются реактивные FPV дроны с возможность управления с применением устройств VR.

Аппараты такого типа могу летать при силе ветра до 20 метров в секунду, что позволит расширить круг их применения до районов СМП.

Авторы данной статьи предлагают объединить различные методы определения состояния ледовых полей на конкретном маршруте ледовой проводки.

Сведения, поступающие с различных типов дронов (воздушных, подводных, а м.б. и ледовых, т.е. перемещающися по поверхности льда), могут перерабатываться навигационной системой ледокола и использоваться для проработки наиболее выгодных курсов, маневрирования с т.з затрат энергии, скорости и т.п. Испытание предлагаемого метода исследования способов прокладки курса ледокольного флота м.б. осуществлено на существующих судах ледокольного флота или на ледовой платформе ЛСП (проект 00903), на которой уже в настоящий момент имеется возможность проведения такого типа испытаний.

Рис. 4. Схема использования воздушных и подводных дронов для определения параметров

льда

Заключение

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что применение БПЛА в ледовой разведке перспективнее, консервативных методов разведке ввиду ряда их преимуществ, таких как:

• 1)    автономность;

• 2)    возможность нести на себе оборудование для ледовой разведки при относительно небольшой массе;

• 3)    нулевой риск для персонала – проведение работ без входа в зону обследования.

Схема применения дронов может меняться в зависимости от задач ледовой проводки. Совместная работа нескольких дронов по конкурирующим курсам позволит выбрать наиболее экономически выгодный курс для ледовой проводки.

Эффективное применение БПЛА для воздушной ледовой разведки возможно в ся в России. С их помощью возможно создание виртуальной модели ледовой ледового поля. Кроме этого, подводные дроны могут вести сканирование рельефа морского дна и выполнять работы, связанные с гидрографическим обеспечением судоходства.

Очевидно, что в настоящее время существуют определенные сложности, с т.з. возможностей технических средств, которые планируется применять для ледовой разведки, но при правильной постановке задачи вполне возможно доработка имею-щися БПЛА и подводных дронов под поставленные задачи. Ясно, что эти технические средства должны быть доработаны с учетом суровых условий эксплуата-ции(сильных ветров,подводных течений, минусовой температуры и т.д.).

Сведения об условиях эксплуатации имеются в избытке, в связи с этим прида- случае создания и применения специали- ние существующим техническим сред- зированного комплекса, в состав которого ствам новых качеств лежит в плоскости может входить:

• -    средства визуального мониторинга в видимом и ИК диапазонах;

• -    высокочастотный сканирующий радар, для выявления радиофизических свойств поверхности и установления нижней границы снежного покрова;

• -    лазерный дальномер(LIDAR), который будет использоваться с целью снятия

рельефа зондируемой поверхности либо верхней части снежного покрова;

• -    георадар для изучения структуры грунта и нахождения в нем неоднородностей.

В будущем, когда удастся уменьшить вес переносимого БПЛА оборудования, а также сделать его легче и практичнее, появится возможность применять в его работе больше инструментов, например, ра- диолокационную сьемку и так далее.

Значительно расширятся возможности в области определния толщины льда при ледовых проводках при применении подводных дронов. Такие разработки уже имеют- применения специальных материалов и уже имеющейся базы знаний по направлению использованию летательных и подводных аппаратов в услових СМП.

Еще одной задачей, которую необходимо будет решить при внедрении предлагаемого вида исследования ледовой обстановки это создание прикладного программного обеспечения для согласования сведений, передаваемых из различных источников и совмещения этой информации с данными по навигационному обеспечению судоходства.

Техническое обслуживание вышеуказанных систем исследования ледовой обстановки может осуществлять «Гидрографическое предприятие», входящее в структуру Росатома.

Затраты на разработку систем ледовой разведки оправдываются развитием перевозок грузов по СМП и увеличением объемов исследований акватории, с т.з. наличия полезных ископаемых на шельфе в бассейне Северного ледовитого океана.