Морские информационно-управляющие системы

1No.1 / 2012, Морские информационно-управляющие системы

морские иНФормАЦиоННо-УПрАВЛЯЮЩие системыоАо «коНЦерН «мориНсис-АГАт»

2 Морские информационно-управляющие системы, 2012 / No.1

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

ФИЛАТОВ Юрий Николаевичкоммерческий директор ОАО «Завод «Топаз»

ХАНИН Леонид Борисовичгенеральный директор-генеральный конструктор ОАО «КБ «Аметист»

редакционная коллегия:

Межотраслевой корпоративный научно-технический журнал

ИЗДАТЕЛЬ:

Открытое акционерное общество«Концерн «Моринформсистема-Агат»

ПРИ СОДЕЙСТВИИ:

Межотраслевой технологическойплатформы «Освоение океана»

морские иНФормАЦиоННо-УПрАВЛЯЮЩие системы

Copyright © 2012 Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»


anniversary

70Уважаемые коллеги!Вы держите в руках издание, выпущенное в юбилейный для

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» год, когда принято подводить итоги тому, что сделано.

Вся 70-летняя научно-техническая и производственная деятельность предприятия была направлена на укрепление оборонной мощи страны, создание различного военного оборудования для ВМФ, интегрирован-ных и автоматизированных систем и комплексов управления подвод-ными лодками и надводными кораблями, систем управления стрельбой всех видов корабельного вооружения.

летАгату

Руководителями предприятия в разное время были:

Розанов Анатолий Александрович 1942 – 1952Чувилин Дмитрий Васильевич 1953 –1960 Астахов Георгий Александрович 1960 – 1972Мошков Алексей Алексеевич 1972 – 1993Карпов Виктор Николаевич 1993 – 1994Касьян Александр Мартынович 1994 – 2003Новиков Евгений Станиславович 2003 – 2011

С августа 2011 года генеральным директором – генеральным конструктором предприятия явялется

Анцев Георгий Владимирович


Специальное конструкторское бюро Наркомата судостроительной промышленности

Морской научно-исследовательскийинститут №1

ЦНИИ «Агат»

1942...1955...

1970...

История нашего предприятия построена на принципах кооперации и сотрудничества. Самое первое высшее звено управления и его инженерно-технический состав были укомплектованы в 1942 году специалистами различных предприятий Москвы и эвакуированными из Ленинграда специалистами завода «Электроприбор».

С тех пор главным богатством предприятия были и остаются – люди, специалисты высокого класса, ученые, системотехники, программисты, конструкторы, технологи, производственники, специалисты разнообразных служб, обеспечивающих работу по созданию и производству оборонной техники.

Долгие годы подготовку высококвалифицированных кадров осуществляет базовая кафедра Московского института радиотехники, электроники и автоматики, созданная в 1970 году при ЦНИИ «Агат». Руководство кафедрой в разное время осуществляли директора предприятия Г. А. Астахов, А.А. Мошков, с 1995 года кафедрой руководит Е.С. Новиков. К настоящему моменту подготовлено более 1800 специалистов, успешно защитивших дипломные работы и получивших различные инженерные квалификации. Многие из них стали ведущими специалистами, начальниками подразделений, руководителями важнейших разработок предприятия.


НПО «Агат» ФГУП «НПО «Агат»Открытое акционерное общество

«Концерн «Моринформсистема-Агат»1978...1998...

2004...2012...

Ученый совет предприятия с 1962 года владеет правом присуждать ученые степени кандидатам технических наук, а с 1966 года – ученые степени докторам технических наук.

В 1978 году наше предприятие было награждено высшей государственной наградой – орденом Ленина. За 70 лет многим специалистам присвоены почетные звания «Заслуженный конструктор» и «Заслуженный машиностроитель», лауреат Ленинской премии, Государственной премии, премии Совета Министров СССР, премии Правительства Российской Федерации. Не одна сотня специалистов награждена орденами и медалями СССР и Российской Федерации.

Анатолию Андреевичу Капустину, слесарю-механику, присвоено звание Герой социалистического труда. Также на предприятии трудится Герой России Владимир Михайлович Макеев.


Сегодняшнее время требует новых форм сотрудничества и информационного обмена в области научно-технической деятельности, активного внедрения инновационных технологий.

Основной тенденцией в процессе мировой научно-технической глобализации становится объединение усилий коллективов разных предприятий и даже стран в осуществлении масштабных проектов. Объединение научных и производственных ресурсов происходит в наиболее передовых областях научно-технической деятельности и дает возможность партнерам, сохраняя полную самостоятельность, разрабатывать новые идеи, распределять, делая более выгодными, производственные процессы, снижать риски.


70 Агатулетлет70лет70лет7070лет70лет70

Сфера морских информационных технологий является ведущей в деятельности Концерна. Решение об издании современного корпоративного научно-технического журнала «Морские информационно-управляющие системы» было принято в результате совместного обсуждения между организациями, входящими в холдинг, и призвано способствовать лучшему обмену научно-технической информацией на новом витке развития предприятия путем обсуждении перспективных научных направлений в форме научно-технических статей по тематике работ Концерна.

Кроме того, в 2011 году холдинг стал основным координатором Межотраслевой технологической платформы «Освоение океана», объединяя под этой эгидой несколько десятков российских предприятий, организаций и ВУЗов для решения масштабных технологических, исследовательских, а также просветительских задач в области морских технологий. Можно смело надеятся, что благодаря этому Концерн обретет «второе дыхание» в научно-исследовательской и производственной деятельности страны в XXI веке.


СОД

ЕРЖ

АН

ИЕ

CON

TEN

TCO

NTE

NT


МОРСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО–УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ No. 1 / 2012

70-летие Концерна 1

«ТРЕБОВАНИЕ-М» – боевая информационно-управляющая система для Российского ФлотаА.А. Копанев, О.Н. МузыченкоОАО «НПФ «Меридиан» 8

О некоторых аспектах защиты информации в беспилотных и роботизированных средствах военного назначенияА.С. Корсунский, А.В. МаттисТ.Н. МасленниковаОАО «НПО «Марс» 16

О комплексе средств антитеррористической защиты морских и прибрежных объектовО.А. Колигаев, В.М. Добрянский, А.В. Селезнев, И.В. Кузьменков, А.В. Чекер, С.О. КолигаевОАО «НИИ «Атолл», ООО «ЛПИТ «Инфрад» 24

Определение толщины льда при помощи радиолокатора с широкополосным сигналомВ.Б. Белянский, О.Е. Ткаченко, Л.Б. ХанинОАО «КБ «Аметист» 34

Глобальная морская навигационная информационная система: принципы построенияК.В. Семин, Е.Л. Полян, В.А. Романов, С.М. КублийЗАО НПК «Агат-Аквариус» 40

Исследования и разработки в области мобильной робототехники стайного примененияТехнический обзорИ.Е. Бурдун, А.Р. БубинООО «Интелоника» 46

Отчет о конференции МСМС’2012, Италия 58

Календарь 2013 61

Подводные обсерватории северо-восточной части Тихого океана: проекты на плато Хуан-де-ФукаТехнический обзорМ.В. АрфанидиОАО «Концерн «Моринсис-Агат» 62

Оперативная океанографическая система восточной части Финского заливаТ.Р. Ерёмина, Л.Н. Карлин, РГГМУ 78

70 Агатулет707070 8

24

34

40

46

62

78

16


Структура и принципы построения существующих систем и комплексов корабельного оружия сформировались во второй половине ХХ века и в значительной степени определялись принципами построения аппаратуры, требовавшими создания замкнутых, автономных структур, включающих информационную, управляющую и исполнительную части. Для повышения эффективности и автоматизации централизованного управления оружием кораблей были созданы боевые информационно-управляющие системы (БИУС), первые поколения которых в основном решали проблемы информационного обеспечения должностных лиц, автоматизации ряда задач, необходимых для принятия решений на использование корабельного оружия, а также обеспечивали выдачу команд системам и комплексам оружия.

Появление и быстрое совершенствование вычислительных средств, их внедрение в корабельное оружие на начальном этапе не привели к его кардинальным изменениям. Однако в последние годы возможности вычислительных средств, используемых при разработке корабельного оружия, значительно возросли, что создало условия для расширения функциональных возможностей систем, перехода на цифровые способы обработки информации и принципиального изменения подхода к созданию вооружения надводных кораблей как единой системы.

«ТРЕБОВАНИЕ-М» БОЕВАЯ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РОССИЙСКОГО ФЛОТА

ОАО «Научно-производственная фирма «Меридиан»*

Санкт-Петербург

А.А. Копанев О.Н. Музыченко

* холдинг ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

Боевая информационно-управляющая система «Тре-бование-М» была создана научно-производственной фирмой «Меридиан» в период 1999-2001 гг. и постав-лена на корабли проекта 11356 ВМС Индии (рис. 1), став первой отечественной системой нового поколения, использующей цифровую обработку всей информации [1, 2]. Система обеспечивает автоматизацию процессов управления боевым использованием вооружения кораблей малого и среднего водоизмещения, в том числе:


• сбор, обработку и отображение информации о воздушной, надводной и подводной обстановке, поступающей от всех источников информации ко-рабля, других кораблей соединения и летательных аппаратов;

• отождествление информации, поступающей от всех источников корабля, и формирование единой кар-тины воздушной, надводной и подводной целевой обстановки с единой нумерацией целей;

• комплексное использование информации, посту- пающей от всех радиоэлектронных средств корабля и кораблей соединения, в интересах каждой из систем оружия корабля;

• сбор, обработку и отображение информации о состоя-нии вооружения корабля;

• управление зенитными огневыми средствами ко-рабля в интересах его самообороны и прикрытия кораблей соединения;

• управление корабельными комплексами с крылатыми ракетами, артиллерией и торпедным оружием кора-бля при решении задач борьбы с надводными целями;

• управление противолодочным оружием корабля;• планирование и управление применением верто-

лета корабельного базирования при решении задач освещения воздушной, надводной и подводной обстановки, задач противовоздушной и противоло-дочной обороны и борьбы с надводными целями;

• контроль за кораблевождением и обеспечение безопасности плавания корабля;

• выработка рекомендаций для принятия реше-ний по управлению маневрированием корабля и обеспечению безопасности маневрирования.

За время эксплуатации система показала высокие эксплуатационные характеристики, эффективность и стабильность в работе.

В 2009-2010 годах НПФ «Меридиан» провела глу-бокую модернизацию БИУС «Требование-М» [3, 4] и поставила ее на вторую тройку кораблей проекта 11356, строящихся для ВМС Индии.

Необходимость модернизации была вызвана следую- щими обстоятельствами:• изменением состава вооружения кораблей;• расширением по требованию иностранного заказ-

чика перечня задач, решаемых БИУС, а также по-вышением требований ко времени непрерывного документирования информации и возможностям отображения графической информации на индика-торах АРМ;

• появлением нового поколения элементной базы с большей производительностью;

• необходимостью введения по требованию заказчика экрана коллективного пользования для отображения информации о тактической обстановке.

Целью модернизации являлось:• расширение функциональных возможностей БИУС,

в том числе реализация дополнительных требований заказчика;

• повышение тактико-технических и эксплуатационных характеристик системы;

• совершенствование алгоритмического и програм-много обеспечения с учетом опыта эксплуатации БИУС, а также результатов других разработок пред-приятия [3, 4], для повышение эффективности управ-ления оружием корабля;

Рис. 1. Корабль проекта 11356 ВМС Индии


• улучшение технических характеристик аппаратных средств за счет использования современной элемен-тной базы;

• улучшение эргономических характеристик системы, в том числе совершенствование и унификация интер-фейсов оператора.

В процессе модернизации были проведены следующие работы:• произведена замена элементной базы аппаратных

средств на более производительные, современные вычислительные средства;

• усовершенствована организация обработки первич-ной радиолокационной информации, разработаны новые средства ее обработки;

• расширены функциональные возможности системы, в том числе за счет обеспечения обмена информа-цией через аппаратуру передачи данных с корабля-ми соединения и тактической группы, летательными аппаратами и береговыми объектами;

• усовершенствовано алгоритмическое и программное обеспечение всех боевых контуров, значительно рас-ширен состав сервисных функций и задач информа-ционного обеспечения операторов;

• унифицирован и сделан более удобным для использо-вания интерфейс операторов АРМ.

Модернизированная БИУС «Требование-М» пред-ставляет собой открытую, распределенную, адаптив-ную вычислительную систему, построенную на базе современных вычислительных средств, объединенных в локальную сеть (рис. 2). Обмен информацией внутри системы осуществляется по локальным вычислительным сетям Ethernet 100/1000. Сопряжение с установленными на корабле системами вооружения, как и ранее, произво-дится по цифровым каналам приборами сопряжения. Три взаимозаменяемых центральных вычислителя обеспечи-вают решение ряда вычислительных задач и работу с рас-пределенной базой данных системы, размещаемой в этих приборах. В состав изделия введен экран коллективного пользования для отображения тактической обстановки и дополнительный прибор сопряжения Т-190А для управ-ления отображением на нем.

Полностью изменена организация обработки пер- вичной радиолокационной информации (РЛИ), при-нимаемой от РЛС корабля. Ранее прибор Т-181 осу-ществлял только автоматическую коммутацию сигналов первичной РЛИ от корабельных РЛС по коман- дам операторов АРМ. Обработка первичной РЛИ и формирование кадров цифрового изображе-ния осуществлялись в каждом АРМ специальным радарпроцессором. В модернизированной БИУС ре-

Рис. 2. Структура модернизированной БИУС «Требование-М»


шение всех задач по обработке первичной РЛИ от всех корабельных РЛС осуществляется непосред- ственно в приборе Т-181, который формирует кадры циф-рового изображения, передаваемые на графические стан-ции каждого АРМ по сети Ethernet.

Использовано автоматизированное рабочее место но-вой конструкции с двумя плоскопанельными цветными мониторами (рис. 3). АРМ представляет собой трехпроцес-сорный комплекс на базе процессоров AMD (GEODE LX 800 - 500 МГц, ОЗУ 256 Мб, Flash-диск 4 Гб, видеоОЗУ до 60 Мб) для решения боевых задач и Intel Pentium М (1,8 ГГц, ОЗУ 1 Гб, кэш ОЗУ – 2 Мб, видеоОЗУ до 64 Мб) для обработки и отображения графической информации. Дополнительно, для документирования информации, введен Flash-диск ем-костью 8 Гб. В качестве органов управления используются:• цветной жидкокристаллический индикатор с разме-

ром рабочей области экрана не менее 150х210 мм и разрешением не менее 800x600 точек с сенсорным экраном для организации диалога с оператором;

• шаровый манипулятор типа трекбол;• функциональная клавиатура диалогового взаимодей-

ствия оператора с БИУС.Взаимодействие составных частей АРМ осуществляется

с использованием сети Ethernet 10/100.

Один из мониторов используется для отображения состояния систем и комплексов корабельного оружия, а второй – для отображения тактической обстановки на фоне электронной навигационной карты. Плоскопа-нельные мониторы с графическими станциями выпол-нены взаимозаменяемыми (переключаемыми). Органы управления (клавиатура и трекбол) могут подключаться для управления любым из экранов.

Учитывая, что для выполнения всех основных функций оператором достаточно сохранение одного сенсорного экрана с индикатором, либо одного из мониторов с гра-фической станцией и какого-либо из органов управления (клавиатуры или трекбола), данные меры при соответ- ствующей организации программного обеспечения позволяют обеспечить высокую надежность АРМ, превы-шающую надежность любого из известных отечественных аналогов. Наличие двух полноразмерных экранов в составе АРМ обеспечило улучшение его эргономических характе- ристик за счет более наглядного и полного отображе-ния информации о состоянии и работе всего вооружения корабля.

В результате модернизации БИУС «Требование-М» су-щественно повышены все основные тактико-технические характеристики системы, расширились ее функциональ-

Рис. 3. Автоматизированное рабочее место БИУС «Требование-М»


ные возможности. Сопряжение с АПД качественно изме-нило возможности системы, обеспечивая формирование единого информационного поля, а также централизацию управления в тактической группе кораблей. Усовершен-ствованные алгоритмы обеспечивают более эффективное управление вооружением корабля. Использование новой элементной базы и усовершенствованных алгоритмов по-зволяет сократить работное время системы при решении задач управления оружием.

В результате по своим функциональным возмож ностями тактико-техническим характеристикам БИУС «Требование-М» превосходит отечественные системы аналогичного назначения и находится на уровне лучших мировых образцов.

Модернизация биус «Требование-М» для ВМФ России

В настоящее время, в связи с поставкой БИУС «Тре-бование-М» на корабли ВМФ России, НПФ «Мери-диан» завершает новую модернизацию системы. Ее необходимость вызвана, в первую очередь, изменением состава вооружения корабля, отличием организационно-штатной структуры и организации управления на кораблях ВМФ России, различием требований по защите информа-ции и составу решаемых задач. Модернизация проводится по следующим основным направлениям:• совершенствование структуры изделия с целью повы-

шения его надежности и живучести;• повышение производительности аппаратных средств;• адаптация состава аппаратных средств и распределения

задач между ними к организационно-штатной структуре и организации управления, принятым в ВМФ России;

• расширение функциональных возможностей систе-мы с целью ее эффективного использования на всех этапах боевой деятельности кораблей ВМФ России;

• адаптация алгоритмического и программного обеспе-чения системы к составу вооружения кораблей ВМФ России;

• обеспечение полного соответствия требованиям ВМФ России по защите информации и защите от несанк-ционированного доступа в корабельных системах управления.

В процессе модернизации БИУС «Требование-М» в целом сохранены ее структура и принципы построения аппарат-ных средств. Два центральных вычислителя обеспечивают решение вычислительных задач и работу с распределен-ной базой данных системы, размещаемой в этих приборах. Сопряжение с установленными на корабле системами воо-ружения производится по цифровым каналам приборами сопряжения. Оптимизация распределения каналов сопря-жения с внешними системами между приборами позволила без увеличения объема оборудования обеспечить полное дублирование всех аппаратных средств, осуществляющих

решение задач управления противовоздушной и противо-лодочной обороной и борьбой с надводными целями, что значительно повысило надежность и живучесть системы.

В качестве вычислительных средств использованы одноплатные компьютеры с тактовой частотой 2,26 ГГц для графических станций и 500 МГц для решения боевых задач. Обмен информацией внутри системы осуществляется по локальным вычислительным сетям Ethernet 100/1000 Base.

Наибольший объем работ выполняется в части расши-рения функциональных возможностей БИУС с целью обес-печения решения всего комплекса задач по автоматизации процессов управления многоцелевыми надводными кора-блями на всех пяти этапах их боевой деятельности:• предпоходовая подготовка кораблей к выполнению

поставленных боевых задач;• развертывание кораблей из пункта базирования

в районы предназначения;• выполнение кораблями поставленных боевых задач

в районах предназначения;• свертывание кораблей из районов предназначения

в пункты базирования;• восстановление боеспособности кораблей в пунктах

базирования.

Рис. 4. Корабль проекта 11356


Одной из основных тенденций развития систем и ком-плексов оружия надводных кораблей в настоящее время является их интеграция в единую систему боевого управ-ления. Это позволяет:• сократить суммарное работное время при реше-

нии задач противовоздушной и противолодочной обороны, борьбы с надводными целями и повысить качество их решения за счет сокращения числа уров-ней управления; это повысит эффективность исполь-зования оружия корабля;

• сократить суммарные массо-габаритные харак-тристики и стоимость вооружения корабля за счет значительного сокращения аппаратных средств интегрируемых систем;

• уменьшить энергопотребление за счет сокращения количества аппаратных средств;

• сократить количество каналов связи между системами и комплексами корабля и количество кабельных трасс за счет исключения связей интегрируемых систем, а также значительной части их внутри-системых связей;

• повысить суммарную надежность и живучесть воору-жения корабля за счет возможности использования любого оружия по данным любого информационного средства корабля, сокращения количества аппарат-ных средств и обеспечения их высокой надежности и живучести;

• упростить управление оружием корабля, исключить резервные режимы управления без снижения устой-чивости;

• упростить обслуживание аппаратуры за счет сокра-щения ее номенклатуры и унификации аппаратных средств;

• сократить количество и номенклатуру ЗИП;• сократить количество личного состава и упростить

его подготовку.На базе БИУС «Требование-М» предлагается создать

интегрированную систему боевого управления (ИСБУ) для кораблей ВМФ России малого и среднего водоизмещения [6]. С этой целью может быть использован имеющийся научно-технический задел в части:• управления радиоэлектронным вооружением

корабля [7];• автоматического опознавания государственной

принадлежности целей [8]; • построения мостиковых систем,

а также результаты разработки автоматизированной системы управления полетами, заходом на посадку и посадкой вертолетов, проводимой предприятием в инициативном порядке.

Предлагаемая интегрированная система боевого управле-ния обеспечит в полном объеме выполнение функций:• боевой информационно-управляющей системы;• автоматизированной системы управления полетами,

заходом на посадку и посадкой вертолетов;

В настоящее время ни одна из существующих отечест-венных БИУС не обеспечивает решение всего комплекса указанных выше задач. Предусматривается в основном ре-шение только части задач на этапе выполнения кораблем поставленной боевой задачи в районе предназначения.

В дальнейшем для различных проектов кораблей в соот-ветствии с их предназначением предполагается обеспечить поэтапное внедрение пакетов программного обеспечения, позволяющее решать следующие задачи:• поражение надводных целей (объектов) противника

с использованием различных комплексов ракетного оружия;

• поражение береговых объектов противника с исполь-зованием артиллерийских установок и комплексов ракетного оружия;

• поиск и поражение подводных диверсионных сил и средств противника;

• постановка позиционных средств (морских мин, радиогидроакустических буев и др.).

В БИУС «Требование-М» также внедряется разработан-ный на предприятии пакет программного обеспечения для решения задач тактического маневрирования и обеспе-чения безопасности плавания, базирующийся на новых принципах их решения [5].

Реализация рассмотренного программного обеспе-чения в полном объеме позволит получить универсальнуюсистему, обеспечивающую оснащение всех проектов многоцелевых кораблей ВМФ России и автоматизацию процессов управления кораблями, летательными аппара-тами корабельного базирования, боевым использованием корабельного оружия и радиоэлектронных средств на всех этапах их боевой деятельности.

Направления развития БИУС «Требование-М»

Рассмотренная выше модернизация БИУС «Требо-вание-М» является лишь очередным этапом ее эволюцион-ного развития, не изменяющим кардинально возможности и предназначение системы.

Анализ тактико-технических характеристик БИУС «Требование-М», модернизированной для

ВМФ России, ее функциональных возможностей и эксплуатационных характеристик показывает,

что отечественная промышленность в настоящее время не производит систем, сопоставимых

с БИУС «Требование-М» по своим функциональным возможностям и степени отработанности изделия.


• интегрированной мостиковой системы;• автоматической системы государственной идентифи-

кации целей.Кроме этого предлагается:• возложить на данную систему функции управления

режимами и секторами работы всех информационных средств корабля (общекорабельных средств обнару-жения, средств обнаружения и сопровождения целей комплексов оружия) [7];

• интегрировать в состав системы все функции: – системы управления ударным ракетным оружием; – системы управления противолодочным оружием; – системы управления средствами радиоэлек-

тронного противодействия.В результате указанных работ будет создана полноцен-

ная интегрированная система боевого управления корабля

с минимальными затратами. Ее структура представлена на рисунке 4. В целом ИСБУ сохранит структуру и принципы построения аппаратных средств БИУС «Требование-М».

С точки зрения выполняемых функций и размещения аппаратных средств предлагаемая система боевого управ-ления включает три составных части:• оборудование, размещаемое на главном коман-

дном пункте и в постах ИСБУ, представляющее собой систему управления вооружением корабля и мероприятиями и действиями корабля в процессе боевой деятельности;

• оборудование, размещаемое на ходовом командном пункте и обеспечивающее управление кораблем, выполняет функции интегрированной мостиковой системы, включающей АРМ командира корабля, вахтенного офицера и рулевого;

Рис.4. Обобщенная структурная схема интегрированной системы боевого управления Использованные обозначения:Секция АРМ КК – секция АРМ командира корабля;Секция АРМ ВО – секция АРМ вахтенного офицера;Секция АРМ РП – секция АРМ руководителя полетов;ЦВ – центральный вычислитель;ПС – прибор сопряжения;БС – блок сопряжения;Сервер Д – сервер документирования.


• оборудование, размещаемое на стартовом коман-дном пункте, выполняет функции автоматизирован-ной системы управления полетами, заходом на посад-ку и посадкой вертолетов.

Конструктивно оборудование ходового командного пункта выполняется в виде функционально и технически законченного изделия, созданного по единому художест-венно-конструктивному замыслу, и включающего набор функциональных модулей, объединяемых в единую кон-струкцию. Оборудование стартового командного пункта выполняется в виде АРМ руководителя полетов с двумя или тремя экранами, расположенными горизонтально. Блоки сопряжения, центральный вычислитель и сервер докумен-тирования располагаются в боковых тумбах АРМ. Форма и габариты АРМ определятся формой и размерами старто-вого командного пункта.

Надежность и живучесть ИСБУ будут обеспечены следую-щими техническими мерами:• высокой надежностью всех аппаратных средств, их

резервированием и полной взаимозаменяемостью всех АРМ и центральных вычислителей;

• эффективной системой диагностики и высокой ремонтопригодностью аппаратуры;

• распределением основных и резервных аппаратных средств и сетей обмена данными по кораблю, исклю-чающим их одновременное поражение;

• централизацией управления всеми информацион-ными средствами и системами корабельного ору-жия, использованием целевой информации от всех информационных средств в интересах любого оружия корабля.

Финансовые затраты по предварительным оценкам будут весьма умеренными и окупятся за счет:• уменьшения стоимости комплексов оружия, функции

систем управления которых будут выполняться ИСБУ; • сокращения суммарного количества аппаратных

средств и количества кабельных трасс;• уменьшения эксплуатационных расходов;• сокращения количества и стоимости ЗИП;• сокращения личного состава;• сокращения сроков и упрощения подготовки личного

состава.Создание на базе БИУС «Требование-М» интегриро-

ванной системы боевого управления существенно повысит боевые возможности кораблей и эффективность использо-

вания ими оружия, обеспечит практически максимальный уровень интеграции вооружения кораблей, доступный при существующих системах и комплексах оружия. Интеграция позволит сократить работное время на использование ударного и противолодочного оружия за счет исключения операций взаимодействия БИУС с их системами управле-ния при выполнении стрельбы.

1. Копанев А.А. «Требование-М» – новое поколение авто-матизированных систем управления // Военный парад. – 2000. – № 5(41). – С. 54.

2. Копанев А.А., Музыченко О.Н. Перспективы развития БИУС для кораблей малого и среднего водоизмещения на базе системы «Требование-М» // Морская радиоэлектроника. – 2002. – № 2. – С. 18.

3. Копанев А.А., Музыченко О.Н. Модернизированная боевая информационно-управляющая система «Требова-ние-М» – система нового поколения // Сборник докладов научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов». – М.: ОАО «Концерн «Морин-формсистема-Агат», 2011. – С. 27-31.

4. Копанев А.А., Музыченко О.Н. Новый этап в развитии БИУС «Требование-М» // Морская радиоэлектроника. – 2011. – № 2 (36). – С. 17-23.

5. Пегушин В.А. Состояние, проблемы и перспективы автома-тизации процесса управления маневрированием корабля для занятия назначенной позиции // Сборник докладов научно-технической конференции «Состояние, проблемы и перспективы создания корабельных информационно-управляющих комплексов». – М.: ОАО «Концерн «Морин-формсистема-Агат», 2011. – С. 32-36.

6. Землянов А.Б., Копанев А.А., Музыченко О.Н. Интеграция систем управления оружием кораблей // Морская радио-электроника. – 2008. – № 1(23). – С. 14-21.

7. Музыченко О.Н., Агуреев В.И. Автоматизиро-ванная система управления перспективных корабельных радиолокационных комплексов // Матери-алы Санкт-Петербургской всероссийской научно-практи-ческой конференции «Радиоэлектронное вооружение ВМФ: Прошлое, настоящее и будущее». – МО РФ, НИЦ РЭВ – филиал ФГУ «24 ЦНИИ Минобороны России». – вып. 2 (161). – 2005 г. – С. 49-55.

8. Музыченко О.Н., Агуреев В.И. Интеграция средств госу-дарственного опознавания целей надводных кораблей // Морская радиоэлектроника. – 2004. – № 4. – С. 27-31.

Литература


В рамках сетецентрических концепций беспилотные летательные аппараты, а также наземные и морские (подводные и надводные) роботизированные средства становятся инструментом, дающим возможность получить серьезные преимущества перед противником, перейти к инновационным формам и способам ведения боевых действий, повысить возможности современных боевых формирований. Рассмотрены вопросы технических возможностей и основных требований к средствам шифровальной защиты информации, потенциально применимым в беспилотных летательных аппаратах и необитаемых подводных аппаратах военного назначения.

О НЕКОТОРЫХ АСПЕКТАХ

ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ В БЕСПИЛОТНЫХ И РОБОТИЗИРОВАННЫХ

СРЕДСТВАХ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Исходя из мировых тенденций в разработке новых техно-логических решений можно выделить два альтернативных направления развития беспилотных и роботизированных средств вооруженной борьбы:• повышение возможностей бортовых систем обработки

информации;• развитие систем передачи данных и дальнейшей

обработки информации на специализированных пунктах управления.

Реализация мероприятий в рамках первого направления даст возможность, например, во время действия беспилот-ного средства по поиску объектов противника обрабаты-

вать добытую информацию бортовыми компьютерами. Лицо, принимающее решение, сможет получать данные уже распознанного объекта с точными координатами.

Бурное развитие беспилотных и роботизированных комплексов стало возможным благодаря ряду техниче-ских решений, связанных с развитием систем автомати-зированного управления, навигации, ростом произво-дительности и миниатюризацией микропроцессорной техники, использованием перспективных телекоммуника- ционных средств, а также влиянием политических устано-вок на минимизацию потерь личного состава и техники при ведении вооруженных конфликтов.


ФНПЦ ОАО «Научно-производственное

объединение «Марс»* Ульяновск

А.С. Корсунский А.В. Маттис

Т. Н. Масленникова


Это, в свою очередь, дало возможность использовать в комплексах военного назначения современные микро-процессоры (в том числе малоразмерные датчики, нового поколения, обеспечивающие высокое разрешение и дающие возможность обнаруживать движущиеся цели в различных условиях), системы радиосвязи и передачи данных, а также специальные способы сжатия и защиты информации [1].

Защита информации в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и в автономных подводных аппаратах (НПА)

В данной статье рассматриваются беспилотники палуб-ного (траектория движения которых включает длительные участки полета над водной поверхностью) и наземного базирования, а также необитаемые подводные аппараты многократного использования.

БПЛА могут решать следующие основные задачи [2]:• ведение радио-, радиотехнической, телевизионной,

фотографической, инфракрасной и других видов технических разведок;

• наблюдение за назначенным районом, обнаружение, идентификация, а также уничтожение (при наличии на борту вооружения) целей;

• проведение мероприятий радиоэлектронной борьбы (в том числе подавление радиоэлектронных средств противника);

• целеуказание для корабельных или наземных систем вооружения (в том числе подсветка целей лучом лазера для управления артиллерийскими снарядами и ракетами с лазерной системой наведения);

• работа в качестве ретранслятора для систем связи ВМФ и др.

В свою очередь НПА могут решать следующий ряд задач:• ведение противоминных действий в районах развер-

тывания группировок кораблей ВМФ, портов, военно-морских баз и др.;

• ведение мероприятий противолодочной обороны, в том числе контроль за выходами из портов и военно-морских баз, обеспечение защиты группировок кораблей ВМФ в районах развертывания, а также при переходах в другие районы;

• обеспечение безопасности на море, предусматрива-ющей защиту военно-морских баз и соответствующей инфраструктуры от возможных угроз, в том числе, тер-рористических атак;

• обеспечение действий сил в специальных операциях;• картографирование, гидролокационная, фото- и виде-

осъемка рельефа дна;• ведение разведки и мероприятий радиоэлектронной

борьбы (в том числе постановку помех радиоэлек-тронных средств противника) и др.

Целью обеспечения безопасности информации является

Высокоскоростные помехоустойчивые средства связи и передачи данных, а также средства защиты информации являются критическими элементами успешного применения беспилотных и роботизированных средств.


исключение разглашения сведений ограниченного рас-пространения, содержащихся в информации, хранящейся, циркулирующей и обрабатываемой во всех структурных и функциональных элементах рассматриваемых типов аппаратов.

Беспилотные и роботизированные аппараты могут работать как индивидуально, так и в составе многофунк-ционального комплекса, включающего в себя один или несколько единиц и наземные (корабельные) станции управ-ления. В настоящее время связь БПЛА и НПА со станциями управления осуществляется по каналу управления и инфор-мационному каналу. Канал управления предназначен для передачи телеметрических и других данных о состоянии систем комплекса в целом или в отдельной части в течение всего времени выполнения задания, в соответствии с задан-ной временной и пространственной программой, а также команд управления. Информационный канал предназна-чен для передачи видовой информации от БПЛА и НПА на станцию управления для обработки и принятия решения.

Необходимо отметить, что способ передачи инфор-мации будет определяться конкретными модифика-циями аппаратов, а также решаемыми ими задачами. Так информация с БПЛА, как правило, в режиме реаль-ного времени будет передаваться на пункт управления

для обработки и принятия решений. Тогда как необи-таемые подводные аппараты будут осуществлять передачу информации периодически.

Для обеспечения вышеперечисленных задач беспи-лотные роботизированные средства в общем виде могут содержать в своем составе:• устройства получения видовой информации;• спутниковую навигационную систему; • устройства радиолинии видовой и телеметрической

информации;• устройства командно-навигационной радиолинии;• устройство обмена командной информацией;• устройство информационного обмена; • бортовую цифровую вычислительную машину;• устройство хранения видовой информации.Устройства получения видовой информации могут

состоять из обзорного курсового устройства и устрой-ства детального обзора. Могут содержать в своем составе телевизионные и тепловизионные камеры, которые обеспечивают изображения, содержащие информативные части, присущие видимому и инфракра-сному диапазонам длин волн.

Спутниковая навигационная система должна обеспечи-вать привязку координат аппарата и наблюдаемых объек-

Исходя из задач, возлагаемых на БПЛА и НПА военного назначения, а также анализа ведомственного Перечня сведений, подлежащих засекречиванию, можно сделать вывод о том, что данные аппараты могут обрабатывать, передавать и хранить информацию ограниченного распространения, не содержащую сведения, составляющие государственную тайну.


тов по сигналам глобальной спутниковой навигационной системы (ГЛОНАСС или/и GPS). Может состоять из одного или двух приемников с антенными системами.

Устройства радиолинии видовой и телеметрической информации (передатчик и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать передачу видовой и телеметриче-ской информации на станцию управления.

Устройства командно-навигационной радиолинии (прием-ник и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать прием команд пилотирования аппарата и управления его оборудованием, а устройство обмена командной инфор- мацией – обеспечивать ее распределение по потребителям на борту аппарата.

Устройство информационного обмена обеспечивает распределение видовой информации между бортовы-ми источниками, передатчиком радиолинии видовой информации и бортовым устройством хранения видовой информации. Это устройство также должно обеспечи-вать информационный обмен между всеми функциональ- ными устройствами, входящими в состав целевой нагрузки аппарата, по выбранному интерфейсу (например, RS-232). Через внешний порт этого устройства должен проводиться ввод задания и осуществляется предстартовый автомати-зированный встроенный контроль на функционирование основных узлов и систем.

Бортовая цифровая вычислительная машина должна обеспечивать управление бортовым комплексом беспилот-ных летательных и необитаемых подводных аппаратов.

Устройство хранения видовой информации должно обеспечивать ее накопление до возвращения аппарата после выполнения задания. Данное устройство может быть съемным или стационарным; в последнем случае должен быть предусмотрен канал съема накопленной информации во внешние устройства. Информация, считанная с устрой-ства хранения видовой информации, дает возможность проводить более детальный анализ.

Необходимо отметить, что в данной статье не рассма-триваются вопросы обеспечения помехозащищенности, разведзащищенности и помехоустойчивости в аппаратах, выполняющих задачи в зонах барражирования самолетов-поставщиков помех, работы наземных станций постановки помех, мощных радиолокационных станций и т.д. Предпо-лагается, что решение данных вопросов будет реализовано в составе комплекса приемо-передающих средств.

Задача обеспечения защиты информации, передаваемой по каналам связи и хранящейся в устройствах хранения ви-довой информации, является актуальной, и ее реализация уже ведется в армиях ряда государств. Причиной этого по-служил ряд событий.

В середине декабря 2009 года в Ираке военнослужащими США были обнаружены ноутбуки с большим количеством видеозаписей с американских беспилотных летательных аппаратов. Стало известно, что иракские вооруженные формирования, используя российское программное обес-


печение SkyGrabber, которое свободно продается в сети Интернет за 720 рублей, перехватывали видеосигналы с американских беспилотников.1 Это стало возможным благо-даря тому, что в целях снижения полетного веса на большин-стве аппаратов RQ/MQ-1 Predator («Хищник») и MQ-9 Reaper («Жнец») не используется шифрование каналов связи.

В начале декабря 2011 года на территории Ирана произвел посадку американский беспилотник RQ-170 Sentinel («Часовой»). До настоящего времени данный аппарат использовался различными структурами раз-ведывательного сообщества США в особо важных мис-сиях. В открытых источниках существует противоречи-вая информация о том, как была проведена посадка. По одной из версий ее удалось осуществить в резуль-тате кибернетической атаки на канал управления. По другой – к посадке летательного аппарата привел сбой в системе управления, который произошел в результа-те работы иранских средств радиоэлектронной борьбы. Но даже если аппарат приземлился самостоятельно из-за неисправности или после полной выработки топлива, это не отменяет факта, что осуществлено это на территории, не контролируемой ВС США.

Можно также привести в пример эпизод во время опе-рации по принуждению Грузии к миру в августе 2008 года, когда подразделения ВДВ ВС РФ захватили пять амери-канских машин Hammer и один Landrover. В машинах были обнаружены системы закрытой шифрованной связи, а также оборудование для точного определения место-положения и наведения оружия по сигналу GPS. Кроме этого сообщалось об обнаружении оборудования, ассо-циированного с беспилотными летательными аппара-тами, и секретные коды GPS. Спутниковые станции GPS находятся на орбите по 15 лет, и возможность их «пере-прошивки» под новые частоты и системы шифрования, взамен скомпрометированных, вызывает сомнения. По мнению экспертов эти шесть джипов представляют со-бой разведывательно-информационный центр с командно-штабной машиной, обеспечивающей управление войсками на поле боя.

После этих событий военное руководство США объяви-ло об открытии работ по шифрованию видеоинформации, передаваемой беспилотниками, а также повышению за-щищенности каналов управления. Аналогичное решение о введении системы шифрования каналов обмена инфор-мацией с беспилотных аппаратов принято ВВС Израи-ля. Предполагается, что шифрование позволит защитить видеоинформацию, передаваемую разведывательными аппаратами, от перехвата боевиками палестинского ХАМАС и ливанской шиитской «Хезболлах».

В настоящее время в США ведется разработка системы

1 На сайте производителя программа описана следующим образом: программа SkyGrabber предназначена для приема и обработки трафика, передаваемого со спутника, извлечения из него файлов и сохранения их на жесткий диск в соответствии с настроенными фильтрами.

Американский беспилотник RQ/MQ-1 Predator

Американский беспилотник MQ-9 Reaper

Американский беспилотник RQ-170 Sentinel


шифрования сигналов, которая будет полностью готова к 2014 году. Известно о ней лишь то, что задача будет решаться на программном уровне.

Итак, по результатам анализа устройства, состава техни-ческих средств беспилотных и роботизированных средств и круга решаемых ими задач (особенно на территории, не контролируемой собственными силами) можно сделать вывод о том, что объектом защиты в БПЛА и НПА военно-го назначения будет информация, передаваемая по каналу управления, информационному каналу, а также информа-ция, содержащая сведения о задании, и информация, хра-нящаяся в устройстве хранения видовой информации.

Разработку, производство, реализацию и эксплуа-тацию шифровальных (криптографических) средств защиты информации ограниченного доступа, не содержащей сведений, составляющих государственную тайну в БПЛА (НПА) необходимо производить согласно «Положения о разработке, производстве, реализации и эксплуата-ции шифровальных (криптографических) средств защиты информации» (Положение ПКЗ-2005).

Для защиты информации необходимо применять следующие средства:

• средства шифрования – аппаратные и (или) аппаратно-программные средства, системы и комплексы, реали-зующие алгоритмы криптографического преобразо-вания информации и предназначенные для защиты информации при передаче по каналам связи и (или) для защиты информации от несанкционированного доступа при ее обработке и хранении;

• средства имитозащиты – аппаратные, программные и аппаратно-программные средства, системы и ком-плексы, реализующие алгоритмы криптографического преобразования информации и предназначенные для защиты от навязывания ложной информации.

Учитывая специфику использования средств шифро-вания информации в беспилотных и роботизированных аппаратах необходимо, чтобы они обладали рядом свойств, отличающих их от средств, применяемых в обычных условиях. Скорость шифрования должна достигать не менее 40 Мбит/с. Обеспечение данной скорости даст воз-можность обеспечения криптографической защиты одного видеоканала HD-качества, а также обеспечения в реальном режиме времени записи видеоинформации в устройство хранения видовой информации.

Защиту информации в БПЛА и НПА военного назначения целесообразно осуществить посредством шифрования информации, передаваемой по каналам связи, информации о выполняемом задании, информации хранящейся в устройстве хранения видовой информации, обеспечения защиты от ввода ложной информации, а также реализации ряда технических мер по защите информации.


По условиям эксплуатации средства шифровальной защиты информации должны отвечать следующим требованиям:• соответствовать группам исполнения, определенным

государственными стандартами РФ;• иметь минимальные массо-габаритные характе-

ристики и по возможности встраиваться в бортовую аппаратуру аппаратов;

• удовлетворять требованиям по питанию от бортовой сети и иметь по возможности минимальное энергопо-требление;

• устройства хранения видовой информации должны быть интегрированы со средствами защиты.

В части обеспечения специальных свойств целесооб- разно реализовать:• канальный механизм шифрования информации;• «быструю» синхронизацию и пересинхронизацию

канала;• «быстрый» алгоритм подсчета имитовставок для

защиты от навязывания ложной информации.Одним из основных свойств средств защиты должна

являться невозможность получения информации третьими лицами в случае потери или захвата аппарата. Для обеспе- чения этого необходимо реализовать ряд процедур, например:• ввод половины ключа инициализации только перед

запуском аппарата;• хранение ключевой информации после развертыва-

ния в оперативной памяти под масками и др.Реализация данных процедур приведет к тому, что

в случае экстренного отключения электропитания или потери аппарата защищаемая информация будет нахо- диться в зашифрованном виде.

Отдельно необходима разработка схемы защиты от крат-ковременного сбоя в электропитании, так как ключевая информация в этом случае должна сохраняться (по всей видимости, целесообразна реализация батарейного пита-ния средств защиты информации или канала от батарей-

ного питания аппарата). Также, целесообразна проработ-ка механизма передачи половины ключа по каналу для восстановления связи.

Необходимо отметить, что при реализации вышеперечи-сленных требований и обеспечении свойств системы защи-ты информации отпадает необходимость реализации таких мер защиты информации, как:• экстренное уничтожение информации ограниченного

распространения, хранящейся в узлах и блоках беспи-лотников или роботизированных подводных аппаратах;

• возможность физического самоуничтожения аппарата.Отметим также, что современные беспилотные лета-

тельные аппараты и необитаемые подводные аппараты функционируют, как правило, под управлением опера-ционных систем реального времени (например, QNX). Для обеспечения защиты информации операционная сис- тема, (как и другое программное обеспечение, используемое в этих комплексах), должна быть сертифицирована по тре-бованиям безопасности информации.

Таким образом, учитывая устройство, состав технических средств БПЛА и НПА и спектр решаемых ими задач, защиту информации целесообразно реализовать на базе аппарат-ных и аппаратно-программных средств шифрования и ими-тозащиты информации. При этом данные средства должны удовлетворять ряду требований, учитывающих специфику применения роботизированных комплексов.

1. Беспилотные летательные аппараты: история, применение, угроза распространения, перспективы развития / М. Пав-лушенко и др. // Национальная и глобальная безопасность. – 2004. – № 2 (26). – 610 с.

2. Вартанесян В.А. Радиоэлектронная разведка. – М.: Воен- издат, 1991. – 254 с.



РЕКЛ

АМА

ФНПЦ ОАО «Научно-производственное объединение «МАРС»Автоматизированные системы, программное и техническое обеспечение

432022, Россия, Ульяновск, ул. Солнечная, д. 20 +7 8422 52-47-22, +7 8422 55-30-23www.npomars.com


Конечной целью создания любой системы охраны объек-та является предотвращение реализации той или иной угрозы или, по крайней мере, минимизация ее послед-ствий, поэтому все меры службы безопасности ориенти-рованы на выявление угрозы, своевременное обнаруже-ние и нейтрализацию носителя данной угрозы, наиболее опасным из которых для объектов морского и прибрежного базирования является подводный.

Комплекс мер по защите от действий подводных террористов должен включать: обнаружение, оценку координат и элементов движения и нейтрализацию. Под нейтрализацией нарушителя понимается некоторое воздействие, приводящее к невозможности реализации им соответствующей угрозы. Учитывая, что в ряде случаев объекты охраны могут находиться в районах, примыкающих к зонам массового отдыха или туризма, не исключена возможность случайного проникновения подводного пловца в пределы охраняемой акватории.

Поэтому в перечень задач системы защиты целесооб-разно включение задачи предупреждения подводных и надводных потенциальных носителей угроз.

С позиций защиты от внешних противоправных воздей-

О КОМПЛЕКСЕ СРЕДСТВАНТИТЕРРОРИСТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ МОРСКИХ И ПРИБРЕЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Актуальность создания систем антитеррористической защиты объектов морского и при-брежного базирования значительно возросла в связи с повышением в последние годы опасности внутреннего и международного морского терроризма. Опыт учений, проведен-ных на стратегически важных объектах такого рода, показал, что максимальная их уязвимость оказывается именно со стороны прилегающей акватории.

До недавнего времени основным элементом защиты объектов со стороны акватории являлась организация боновых ограждений и периодическое патрулирование службы охра-ны, но данные меры не обеспечивают защиту объекта от действий подводных террористов. В связи с этим, как в нашей стране, так и за рубежом все большее внимание начинает уделяться разработке технических средств и систем охраны акваторий, причем основной упор делается на информационное обеспечение службы охраны объекта [1,7].

ОАО «Научно-исследовательский институт «Атолл»*, ДубнаО.А. Колигаев, В.М. Добрянский,

А.В. Селезнев, И.В. Кузьменков, А.В. Чекер

ООО «Лаборатория прикладных информационных технологий

«Инфрад», ДубнаС.О. Колигаев



ствий объекты морского и шельфового базирования суще-ственно различаются между собой. Факторы, определяю-щие облик создаваемой системы защиты объекта, весьма разнообразны: • местоположение объекта (на берегу или на море);• для расположенных на море – плавучий или опираю-

щийся на дно; • выступает над поверхностью воды или полностью

находится под водой; • локализованный или протяженный; • мобильный или стационарный; • обслуживаемый или необслуживаемый; • удаленность объекта;• имеется или нет зона безопасности вокруг объекта; • сколь устойчив объект к внешним воздействиям,

масштабам ущерба, который может быть следствием поражения/уничтожения объекта;

• район расположения объекта. В силу высокого разнообразия объектов морского

Рис. 1. Комплекс технических средств охраны объекта морского базирования

Рис. 2. Зоны ответственности технических средств

и шельфового базирования (в сравнении с сухопутными объектами), разработать единую (унифицированную) систему защиты для них невозможно. Решения по систе-мам защиты доцлжны приниматься на основе рассмо-трения каждой отдельной производственной системы и каждого объекта в ней.

Исходя из конкретных угроз для каждого объекта и необ-ходимой степени его защиты вопрос оснащения техни-ческими средствами охраны будет заключаться в опреде-лении индивидуального состава средств, их количестве и способах размещения на объекте.

Отсюда следует важность разработки таких систем комплексирования разнородных технических средств, которые позволяли бы в короткий срок с минимальными издержками интегрировать их в единый эффективный комплекс.

В общем случае система защиты объекта должна иметь в своем составе технические средства, обеспечивающие возможность решения следующих основных задач [7]:• обнаружение и сопровождение подводных и надвод-

ных потенциальных средств доставки носителей угроз на подходах к охраняемой акватории;

• обнаружение подводных и надводных потенциальных носителей угроз на границе охраняемой акватории;

• дообнаружение и сопровождение нарушителей в пределах охраняемой акватории;

• предупреждение нарушителей о противоправности их действий и возможности применения к ним мер воздействия;

• воздействие на нарушителей и их нейтрализацию.Комплекс технических средств охраны (КТСО) объек-

тов шельфового и морского базирования, разработанных ОАО «НИИ «Атолл» по заказу ОАО «Газпром», обеспечивает возможность решения всех этих задач. Перечень техниче-ских средств, входящих в комплекс, приведен в Таблице (на стр. 26), а зоны их ответственности и структура взаимо-действия представлены на рисунках 1, 2 и 3 соответственно.

Рис. 3. Структура взаимодействия технических средств


Таблица Основные компоненты КТСО и их назначение

Наименование Назначение

Рубежное гидроакустическое средство (программно-технический комплекс) обнаружения подводных и надводных объектов

– Обнаружение, классификация и сопровождение надводных и подводных объектов в режиме пассивной гидролокации (шумопеленгование).

– Обнаружение попыток пересечения рубежа охраняемой зоны акватории подводными объектами в режиме активной вертикальной гидролокации.

Зональное гидроакустическое средство сопровождения подводных объектов

– Обнаружение, классификация и сопровождение подводных объектов в режиме активной горизонтальной локации.

– Определение параметров движения обнаруженных подводных объектов.

Радиолокационно-оптическая система обнаружения и сопро-вождения малых надводных объектов

– Обнаружение, классификация и сопровождение надводных объектов в режимах радиолокационного и оптико-электронного наблюдения.

Акустическое средство воздействия на надводные объекты

– Голосовое предупреждение надводных объектов о нахождении в охраняемой зоне акватории и о необходимости изменить курс своего движения.

– Воздействие на надводные объекты с целью затруднения их передвижений в охраняемой зоне акватории.

Гидроакустическое средство воздействия на подводные объекты

– Голосовое предупреждение подводных пловцов о нахождении их в охраняемой зоне акватории и о необходимости ее покинуть, изменить курс своего движения.

– Воздействие на подводных пловцов с целью затруднения их передвижений в охраняемой зоне акватории.

Система контроля и управления

– Управление техническими средствами, входящими в состав КТСО, и обеспечение контроля их состояния и функционирования.

– Сбор, регистрация, обработка поступающей от технических средств информации и ее архивирование.

– Отображение информации и обеспечение работы оператора – администратора КТСО.

Рубежный гидроакустический комплекс обнаружения подводных и надводных объектов

Рубежный гидроакустический комплекс обнаруже-ния является первичным звеном в системе охраны объекта со стороны акватории и обеспечивает кон- троль подводной и надводной обстановки методом пассивной гидролокации за пределами границ охра- няемой акватории, а также контроль подводной обстановки методом активной гидролокации на границе охраняемой акватории. Выносная часть комплекса сос- тоит из размещаемых по периметру охраняемой акватории гидроакустических приемно-излучающих модулей (ПИМ), соединеных кабельной линией связи (рис. 4). Зоны ответственности каждого модуля в режиме активной вертикальной гидролокации перекрываются и формируют сплошную зону обнаружения подводных пловцов и других подводных объектов по всему пери-метру охраняемой акватории, что гарантирует, даже в условиях максимально неблагоприятной гидрологии, высокую вероятность их обнаружения. Рис. 4. Рубежный гидроакустический комплекс


Рис. 5. Приемно-излучающий модуль

Формирование зоны обнаружения каждого ПИМ в режиме активной гидролокации осуществляется путем излучения, приема и обработки гидроакустического сигнала, реализованной на базе сигнального процессо-ра TMS-320 (рис. 5). Решение о наличии или отсутствии в контролируемой области посторонних объектов при-нимается непосредственно в ПИМах по результатам каждого цикла сканирования (излучения-приема).

На рисунке 6 (а, б) представлен приемоизлучатель, уста-новленный в плавучем устройстве подвеса, и фрагмент процесса постановки рубежного средства на акватории.

Зональный гидроакустический комплекс сопровождения подводных объектов

Зональный гидроакустический комплекс сопровождения подводных объектов (рис. 7) предназначен для обнаруже-ния и сопровождения подводных объектов (подводных пловцов, средств их доставки и других подводных аппа-ратов) и представляет собой гидролокатор с электронным сканированием.

Рис. 7. Зональный гидроакустический комплекс сопровождения подводных объектов

Рис. 6 (а, б). Процесс постановки выносной части на акватории


Управление пространственным положением диа-граммы направленности гидроакустической антенны осуществляется электромеханическим приводом в авто-матическом или ручном режиме, обеспечивая излучение интенсивного гидроакустического сигнала в направле-нии обнаруженного подводного объекта, координаты которого поступают от зонального гидроакустического средства обнаружения и сопровождения.

При проникновении подводного пловца в зону голо-сового предупреждения (300 м от объекта охраны), из системы контроля и управления выдается команда на излучение сигналов предупреждения. Голосовое преду-

Рис. 8 (а, б). Внешний вид гидролокатора и фрагмент экрана оператора

Рис. 9. Гидроакустический комплекс воздействия на подводные объекты

На рисунке 8 (а, б) представлен внешний вид гидроло-катора и фрагмент экрана оператора в процессе работы с подводным пловцом в ходе натурных испытаний.

Гидроакустический комплекс воздействия на подводные объекты

Гидроакустический комплекс воздействия на подвод-ные объекты (рис. 9) предназначен для голосового пре-дупреждения подводных пловцов о нахождении в охра-няемой зоне (режим «Предупреждение») и воздействия на них с целью предотвращения приближения к охраня-емому объекту (режим «Воздействие»).

Комплекс состоит из выносной и бортовой части в виде гидроакустической антенны с поворотным устрой-ством и стойки формирования и усиления сигналов соответственно.

В режиме «Предупреждение» комплекс обеспечивает формирование и излучение речевого гидроакустическо-го сообщения, адресованного подводному нарушителю, о его нахождении на охраняемой акватории с требо-ванием немедленно ее покинуть. Частотный диапазон и уровень гидроакустического давления излучаемого сигнала предупреждения обеспечивает возможность распознавания сообщений на дальности до 500 м.

В режиме «Воздействие» комплекс формирует и излу-чает специальный гидроакустический сигнал высокой интенсивности, негативно воздействующий на подвод-ного пловца. Частотный диапазон, форма и уровень сиг-нала воздействия обеспечивают возможность создания максимального дискомфорта для подводного пловца с целью принуждения покинуть охраняемую акваторию или, по крайней мере, значительного затруднения его продвижения к охраняемому объекту. Ширина диаг-раммы направленности сигнала воздействия составляет не более 30°, что обеспечивает воздействие именно на вероятного носителя угрозы.


Контроль надводной обстановки на охраняемой аквато-рии осуществляется техническими средствами в составе:• береговой радиолокационной станции милли-

метрового диапазона волн «Нева-Б» с системой обработки, отображения и регистрации радиолока- ционной информации;

преждение перемежается набором коротких импульсов, соответствующих международному морскому сигналу «Предупреждение».

При невыполнении требования покинуть охраняемую акваторию гидроакустический комплекс переводится в режим «Воздействие», и к нарушителю принимаются дополнительные меры по вытеснению или нейтрали- зации. На рисунке 10 (а, б) представлена выносная часть гидроакустического комплекса воздействия в лаборатории и в процессе постановки на объекте.

Радиолокационно-оптический комплекс обнаружения и сопровождения надводных объектов

Радиолокационно-оптический комплекс (рис. 11) пред-назначен для обнаружения и сопровождения надводных объектов в зонах охраны шельфовых и морских объектов и обеспечивает:• контроль надводной обстановки на охраняемой аква-

тории;• обнаружение проникновения на охраняемую аквато-

рию пловцов в надводном положении, маломерных судов и других средств доставки, их сопровождение и классификацию;

• выдачу данных о местоположении и параметрах дви-жения, обнаруженных на охраняемой акватории над-водных объектов, в систему контроля и управления. Рис. 11. Радиолокационно-оптический комплекс

Рис. 10 а, б. Гидроакустическое средство воздействия; а - выносная часть комплекса в лаборатории, б - процесс постановки на объекте


ристикам, объему применения в сферах безопасно-сти разных отраслей в США и других государствах, доступности закупки на отечественном рынке и поставки является линейка средств акустического оповещения LRAD, а именно LRAD-1000 RX производства компании American Technology Corp (рис. 14).

LRAD-1000 RX обеспечивает распознавание сообще-ния на расстоянии до 1000 м, а уровень акустического давления, создаваемого LRAD-1000 RX при передаче специального сигнала воздействия, формирует у нару-шителя некомфортное состояние по мере приближения к объекту охраны, принуждая к отказу от выполнения миссии.

Решение по переводу устройства из режима «Преду-преждение» в режим «Воздействие» относительно любого объекта принимается только оператором.

Рис. 12 (а, б). РЛС и тепловизор радиолокационно-оптического комплекса

Рис. 13. Акустический комплекс воздействия на надводные объекты

Рис.14. Акустическое средство воздействия LRAD-1000 RX

• многоканальной системы наблюдения на поворотной платформе Фовеус PTZ-35x140MS, включающей тепло-визор и видеокамеру (рис. 12 а, б);

• системы измерения дальности.

Акустический комплекс воздействия на надводные объекты

Акустический комплекс воздействия на надводные объекты (рис. 13) обеспечивает голосовое предупрежде-ние надводных объектов о нарушении границ охраняемой акватории (режим «Предупреждение») и акустическое воз-действие на них с целью предотвращения приближения к охраняемому объекту (режим «Воздействие»).

Наиболее удобным для применения в комплексе технических средств охраны по техническим характе-


Система контроля и управления

Система контроля и управления программно-техническими комплексами охраны решает следующие основные задачи: • конфигурирования и настройки комплекса техниче-

ских средств охраны;• управления вычислительным процессом комплекса;• сбора, анализа и комплексирования информации;• поддержки базы данных КТСО и архивирование

информации;• отображения информации;• контроля состояния и работоспособности оборудова-

ния и программных средств КТСО.Подсистема конфигурирования и настройки комплекса

технических средств охраны предназначена для создания и поддержки конфигурации КТСО, начальной загрузки и наст-ройки программного обеспечения технических средств.

Подсистема управления вычислительным процессом предназначена для обеспечения работы оператора по управлению процессом функционирования КТСО.

Подсистема сбора, анализа и комплексирования информации предназначена для приема выходных дан-ных, кодов состояния и завершения сбора и обработки информации от всех технических средств, а также для передачи принятых данных в подсистему отображения

информации, записи принятых данных в базу данных, внесения изменений в ход вычислительного процесса на основе анализа принятых данных.

Подсистема поддержки базы данных и архивирования информации предназначена для обеспечения надежно-го хранения выходных данных всех технических средств, входящих в КТСО, настроечной информации, резерви-рования информации, создания и наполнения архива, управления доступом пользователей к КТСО.

Подсистема отображения информации предна- значена для обеспечения отображения на мониторе об-щей обстановки следующей информации: карты-схемы зон контроля охраняемой акватории объекта, отметок обнаруженных объектов в масштабе карты-схемы, тревожных текстовых сообщений в окне тревожных сообщений, направления действий технических средств предупреждения и воздействия.

Подсистема контроля предназначена для полного и выборочного контроля общей работоспособности программных и технических средств КТСО и поиска не-исправного оборудования. Задачи контроля состояния и работоспособности решаются каждым техническим средством самостоятельно, а информационно-вычисли-тельный комплекс системы контроля и управления соби-рает и представляет оператору результаты проверок.

Основные принципы комплексирования техни-ческих средств охраны

При разработке КТСО использованы следующие основные принципы построения автоматизированных систем:• принцип системного единства – элементы КТСО разра-

батываются как части единого целого, где функциониро-вание элементов подчинено общей цели;

• принцип декомпозиции – разделение КТСО на компо-ненты (техничие средства) выполняется по наиболее слабым информационным связям, поскольку пра-вильная декомпозиция уменьшает сложность системы и облегчает условия ее эксплуатации;

• принцип модульности – все компоненты системы представляют собой логически независимые модули, которые могут использоваться как самостоятельно, так и в составе комплекса;

• принцип совместимости – все компоненты обеспечи-вают возможность их совместного функционирования, что требует их информационной совместимости;

• принцип открытости и масштабируемости – на этапе создания системы невозможно предусмотреть все нюансы и перспективы ее дальнейшего развития, поэтому КТСО должен быть открытым для модерни- зации и включения в нее новых решений;

• принцип безопасности – ограничение и разграничение доступа к работе системы и ее информационным ресурсам;

• принцип стандартизации – использование максималь-ного числа унифицированных, типовых и стандартных решений, уменьшающих затраты на создание системы, повышающих надежность ее функционирования;

• принцип эргономичности – обеспечение удобства ее использования для оператора (правильное разделе-ние функций, удобство и простота интерфейсов, учет психологических факторов и др.).

Для реализации данных принципов построен двухуровне-вый информационно-вычислительный комплекс. Програм-мный комплекс верхнего уровня представляет собой управ-ляющий вычислительный комплекс, выполняющий функции:• интерфейса с оператором системы;• управления программными комплексами нижнего

уровня.Программные комплексы нижнего уровня выполняют

функции:• физических интерфейсов с техническими средствами;• сбора и обработки информации, полученной от техни-

ческих средств;• выдачи обработанной информации на верхний уровень;• приема и реализации команд верхнего уровня.Двухуровневая архитектура вычислительной системы

КТСО обладает свойствами открытости и масштабируемости, то есть возможности подключения новых программно-техни-ческих комплексов и включение новых технических средств в существующие программно-технические комплексы.


Комплекс технических средств охраны объектов ОАО «Газпром» морского и прибрежного базирования успешно прошел испытания на полигоне ОАО «НИИ «Атолл» на Московском море, а также на Баренцевом море в районе предполагаемого размещения терминалов порта и завода по переработке сжиженного природного газа и газового конденсата Штокмановского месторождения. Проведено предварительное обследование акватории самоподъемной буровой установки «Амазон» с целью оснащения ее средствами мониторинга и предупреждения угроз, в том числе подводных.

1. Коновалов В.А., Тарабрин В.А., Севрюков Д.В. О защите водных пространств при охране объектов, Системы безопасности, – 2009, – №1.

2. Ромаев С.Д., Ковалева А.М. Основные положения комплек-сного решения проблем безопасности морских и речных портов на базе ИТСБ, http://www.bezopasnost.ru/about/articles/dtail/42/1042/

3. Концепция ЗАО «Морские Навигационные Системы» при создании систем комплексного обеспечения безопасно-сти морских и прибрежных объектов особой важности, – http://www.mnsspb.ru/razrab/razrab_IKTSB.html

4. Комплексная система мониторинга акваторий – http://trancons.ru/products/kompleksnaya-sistema-monitoringa-akvatorii-sma


5. Системы охраны и защиты акваторий, – http://www.trancons.ru/information/stati-i-publikacii/sistemy-ohrany-i-zaschity-akvatorii

6. Колигаев О.А., Чекер А.В. Комплексные системы защиты объектов добывающей/транспортной инфраструктуры ОАО «Газпром» прибрежного/шельфового/морского базиро-вания. Международная конференция «Безопасность морских объектов». – Москва, 2007.

7. Колигаев О.А., Добрянский В.М., Колигаев С.О., Чекер А.В. Принципы организации и технические средства противо-диверсионной защиты объектов морского нефтегазово-го комплекса. Научно-техническая конференция «Научное и техническое обеспечение исследований и освоения Север-ного ледовитого океана». – Новосибирск, 2010.

Рис.15. Самоподъемная плавучая буровая установка «Амазон» в Обской губе


РЕКЛ

АМА


В связи с планами широкого освоения арктического шельфа, задача определения параме-тров ледового покрытия морских акваторий приобретает глубокий практический интерес. Методы исследований льда с помощью подповерхностных радиолокаторов хорошо извест-ны (например, 1-6). На современном этапе при этих измерениях используются чаще всего радиолокаторы с широкополосным сигналом. В статье предлагается определять групповую скорость зондирующего сигнала в методически едином комплексе измерений, используя дисперсные свойства среды. Выполнены оценки частотной зависимости параметров среды в широком диапазоне значений, возможных для слоисто-однородных сред.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА ПРИ ПОМОЩИ РАДИОЛОКАТОРА С ШИРОКОПОЛОСНЫМ СИГНАЛОМ

ОАО «Конструкторское бюро «Аметист»*, Москва

В.Б. БелянскийО.Е. ТкаченкоЛ.Б. Ханин


Основным преимуществом подповерхностных радиоло-каторов с широкополосным сигналом является более вы-сокая точность определения дальности объекта благода-ря уменьшению радиолокационного объема сигнала (его пространственной протяженности) [4]. Отмечено также, что спектр и временная форма широкополосного сигнала существенно различны на различных этапах его преобра-зования на радиотрассе: • после излучения широкодиапазонной антенной; • после отражения от поверхности раздела сред; • после прохождения тракта радиоприема [1].


Это говорит о способности сигнала «впечатывать» большой объем информации о свойствах среды распро-странения. В частности, исследуя особенности частотной зависимости параметров широкополосного сигнала, от-раженного от ледовой поверхности, можно определить групповую скорость сигнала Vгр в исследуемой среде, что необходимо для определения толщины льда. Как правило, толщина льда при радиозондировании определяется по результатам измерения времени задержки зондирующих импульсов, отраженных от верхней и нижней кромок льда (рис. 1).

Значение групповой скорости Vгр, необходимое для оп-ределения толщины льда Dл считается при этом либо из-вестным [6], либо определяется предварительно при по-мощи какого-либо варианта метода калибровки. Очевидно, что определение групповой скорости Vгр одновременно с определением времени задержки может существенно по-высить точность и оперативность исследований ледовой обстановки. Оценим здесь возможность определения Vгр

по частотной зависимости параметров зондирующего сигнала.

На данном этапе исследования предполагаем, что ис-следуемая среда является слоисто-однородной, а фазовый фронт сигнала, падающего на границу раздела воздух-лед – плоский. Первое допущение является довольно грубой математической абстракцией, так как известно, что аркти-ческий лед представляет собой существенно неоднород-ную среду [6]. Однако на начальном этапе такая абстрак-ция представляется вполне уместной, так как оцениваются общие принципы алгоритмов обработки сигнала. Полага-ем, что в дальнейшем можно будет показать, что при со-ответствующем усреднении, параметры неоднородного массива могут быть представлены параметрами эквива-лентной слоисто-однородной среды.

Считается, что исследование свойства льда намного про-ще выполнять на имитационной модели, чем в экспери-менте, особенно в настоящее время при взрывном разви-тии техники цифровой обработки сигнала. Логичным путем развития математической модели материальной среды яв-ляется поэтапное усложнение этой модели по мере уточне-ния свойств среды, выявленных на этапах исследования с помощью предшествующих моделей.

Большая работа по созданию математической моде-ли льда была выполнена Ленинградским Арктическим научно-исследовательским институтом, которым предло-

жены довольно сложные математические модели арктиче-ского льда, однако точность этих моделей не может быть достаточно высокой, так как толщина льда в них опреде-ляется по измеренному времени задержки tЗ (рис. 1) и по фазовой скорости зондирующего сигнала, определяемого расчетом с учетом прикидочных значений диэлектрической и магнитной проницаемости среды распространения [6]. Естественно считать, что следующим этапом разра-ботки математической модели среды является опреде-ление свойств среды по результатам измерения частотной зависимости времени задержки.

Покажем, что при отсутствии неоднородности среды толщина льда может быть определена точно в рамках при-нятой модели по дисперсионным характеристикам среды. Вообще, групповая скорость сигнала, имеющая частотную зависимость в дисперсной среде, может быть определена достаточно четко только для узкополосного сигнала как скорость перемещения его огибающей. Поэтому предста-вим широкополосный импульс в виде суммы узкополосных импульсов, что может быть выполнено с помощью радио-приемника, имеющего множество узкополосных каналов приема.

На рисунке 2 такой радиоприемник, (который может быть виртуальным, имитируемым блоком обработки сигнала), представлен для определенности в виде каналов приема,

Создание адекватной математической модели ледовой поверхности морской акватории является сложной и до сих пор незавершенной задачей.

Рис. 1. Сигналы на входе регистратора №n

Рис. 2. Частотная характеристика виртуального радиоприемного устройства


центральные частоты которых следуют в виде логоперио-дической последовательности:

где: – некоторое число, меньшее единицы;– верхняя частота рабочего диапазона.

На выходе каждого канала сигналы будут иметь время задержки , определяемое групповой скоростью льда Vгр

и его толщиной Dл:

(1)

В свою очередь групповая скорость сигнала Vгр связана с его фазовой скоростью Vф соотношением (8):

(2)

где: – круговая частота.Фазовая скорость электромагнитной волны в среде пол-

ностью определяется параметрами среды и , где– магнитная проницаемость среды;– комплексная диэлектрическая проницаемость

(3)

Величина в свою очередь связана с параметрами среды (проводимость) и относительной диэлектриче-ской проницаемости соотношением

где (4)

Ф/м – диэлектрическая проницаемость

вакуума,– относительная диэлектрическая проницаемость,

– тангенс угла потерь. (5)

Время измерения , получаемое в эксперименте зави-сит от неизвестных , и Dл.

Таким образом, для определения толщины Dл при отсут-ствии ошибок измерения достаточно иметь три уравнения из массива измерений как функции частоты, не являю-щихся линейными комбинациями друг друга.

При значения являются функцией только , Dл, а при время задержки является функцией

и Dл.Третью выборку целесообразно взять на частоте, соответ-

ствующей значению (6)

Введя обозначения

(7)

и, определяя из (1-4) значения при

(8)

и


получаем, что толщина льда Dл определяется соотноше-нием

где (9)

м/с – скорость света,

а значение , находится как величина, при которой

Приведенная здесь схема расчета является иллюстративной, поясняющей однозначность определения как параметров среды , , , так и толщины льда по математической модели среды. Характерно, что нормирование величины

для принятой математической модели среды является функцией единственной переменной – тангенса угла потерь, следовательно, весь нормированный массив данных измерений должен надежно определить величину , если правильно выбран частотный диапазон измерений.

Теоретический характер зависимости (x) и принцип графического определения хо иллюстрируется на рисунке 3. На этом рисунке в виде ломаной кривой нанесены экспериментальные значения , которые вследствие

ошибок эксперимента и неточности математической модели отличаются от теоретических значений. По этим экспериментальным значениям величина Dл может быть определена при помощи хорошо разработанных методик обработки, например, методом максимального правдоподобия (12), методом максимальной энтропии (11) или, в простейшем случае, – при помощи разновидности метода максимальной энтропии – метода наименьших квадратов (10). В ряде случаев удовлетворительный результат может дать сглаживание графика и расчет по соотношению (9).

Таким образом, для надежного определения толщи-ны льда Dл необходимо иметь массив выборок соответ- ствующих неравенству

(11)

Полагая, что достаточно иметь

Рис. 3. Дисперсионная характеристика среды


получаем, что коэффициент перекрытия рабочего диапазо-на частот

Такой коэффициент перекрытия достаточен, если ориентировочно известны величины и . Однако дан- ные по значениям проводимости морского льда довольно противоречивы и недостаточно убедительны. Так в (13) отмечается, что величина для морского льда может находиться в пределах

причем нижнее значение является, возможно, заниженной величиной на один-два порядка. В любом случае из сказанного следует, что в аппаратуре радиолокационных измерений целесообразно преду-смотреть возможность достаточно оперативно сдвигать окно частотного рабочего диапазона частот. Возможность

сдвига в сторону низших частот всегда будет ограничи-ваться энергетическим потенциалом трассы, изучению которого должно быть уделено достаточное внимание. На данном этапе в иллюстративных целях выполнен расчет такого типа в приближении слоисто-однородной среды, освещаемой электромагнитной волной, имеющей плоский фронт и падающей по нормали к границе раздела сред.

Из соотношения для радиолинии первого типа (14) и соотношений для коэффициентов прохождения волны (9) можно записать, что отношение

на входе радиоприемного устройства является функ- цией и исследуемых сред, мощности передатчика, коэффициентов усиления антенны и эффективной полосой частот излучаемого сигнала .

На рисунках 4-7 приводятся значения:

Проводимость 0,5 Сим/м. Полоса 500 МГцРис. 4.





и как функции частоты при следующих пара-

метрах трассы:• предающая и приемная антенны – параболические

с диаметром зеркала D = 0,6 м;• расстояние от радиолокатора до поверхности льда

r = 50 м;• мощность передатчика Рперед.=10 Вт;• толщина льда Dл = 3 м;• коэффициент использования апертуры антенны = 0,6;• коэффициент шума приемника N = 2;• коэффициент отражения от нижней кромки льда = 0,2;• относительная диэлектрическая проницаемость льда

= 80;• проводимость льда = 0,01 - 0,2 (указано на

рисунках);• эффективная полоса частот излучения

(указано на рисунках).Из расчетов следует, что выбранные параметры ради-

отрассы, как правило, позволяют определять толщину льда по дисперсионным характеристикам среды. Однако такая возможность является весьма критичной к выбору «частотного окна» измерений – как его ширины, так и его положения.

1. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необходимые проблемы, системные осо-бенности // Вестник МГТУ. – Сер. Приборостроение. – 1998. – №4.

2. Jmmoreev J., Vovshin B. Radar olservation usinq the Ultra Wide Band Siqnals // UWBSI, Jnternational Conference on Radar. – Paris. – 3-6 May. – 1995.

3. Jmmoreev J., Vovshin B. Featuring // JEEE Jnternational Radar Conference. – Washington. – 22-28 July. – 1995.

4. Jntroduction fo Ultra-Wideband Radar Systems / Edited James D Taylor. – CRC Press. – Roca ation, Ann Arbor, London, Tokyo. – 1995.

5. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. – М.: Радио и связь, 1985.

6. Богородский В.В., Оганесян А.Г. Проникающая радиоло-кация морских и пресноводных льдов с цифровой обра-боткой сигналов / Под ред. чл.-кор. АН СССР В.В. Богород-ского. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1987.

7. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физи-ческих измерениях: в двух томах. – М.: Мир, 1983.

8. Семенов Н.А. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 1973.

9. Пименов В.Ю. Линейная макроскопическая электро-ди-намика. – Долгопрудный: Интеллект, 2008.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по мате-матике. – М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1986.

11. Baikova A.T. The qeneralization of maximum entropy method for reconstruction of compex funkctions // Astronomical and Astrophsical Transaction. – 1992. – V.1. – PP. 313-326.

12. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки ради-олокационной информации. – М.: Советское радио, 1974.

13. Башкуев Ю.Б., Хаптанцев В.П., Дембелев Н.Г., Нагуслаева И.Б. Поверхностные электромагнитные волны над двух-слойной средой (лед-соленая вода) // Материалы отдела физических проблем при Президиуме Бурятского науч-ного центра СО РАН. – Улан-Удэ. – 2011.

14. Ерохин Г.А. Чернышев О.В., Козырев Н.Ю., Когержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М.: Горячая линия-Телеком, 2004.


Таким образом, учет дисперсионных свойств льда по-зволяет определить в едином по методике эксперименте, как толщину льда, так и параметры исследуемой среды при использовании радиолокатора с широкополосным сигналом.

Рассмотренная методика критична к выбору «частотного окна» измерений – как его ширины, так и его положения.

Учет особенностей дисперсионных характеристик льда может позволить существенно повысить точность опреде-ляемых параметров.


ЗАО НПК «Агат-Аквариус»*Москва

К.В. Семин, Е.Л. Полян, В.А. Романов, С.М. Кублий

* партнер ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

В последние годы произошли существенные изменения в сфере судовождения, требующие более высокого согласования, стандартизации и совместимости морских информационных систем для повышения безопасности. Способом достижения этих задач является развитие Глобальной информационной морской системы, оснащение судов и береговых служб, ответ-ственных за безопасность и эфективность судоходства, едиными современными инструмен-тами морской навигации, оптимизированными для принятия решений.

В судовождении на сегодняшний день используется ряд информационных систем – электронные карты, автомати-ческая идентификационная система, система опознавания судов и слежения за ними на дальнем расстоянии – однако современный уровень развития информационных и связ-ных технологий позволяет строить более функциональные и мощные системы.

Основными задачами, которые должны решать средства автоматизации и поддержки принятия решений, являются:• повышение безопасности плавания;• оптимизация затрат;• уменьшение негативного влияния на окружающую среду.Для наиболее полного решения данных задач тре-

буется привлечение в процесс принятия решений как можно большего количества информации. В качестве среды, которая сможет предоставлять весь объем необ-ходимой информационной поддержки, видится глобальная морская навигационная информационная система.

Описываемый подход полностью соотносится с целя-ми, заявленными в парадигме e-Navigation – глобаль-ной концепции электронной навигации, разработанной Международной морской организацией (International Marine Organization – IMO) [9]. Суть электронной нави-гации определяется как согласованный сбор, интег-рация, обмен и представление для анализа навига-ционной информации судам и береговым службам с по-мощью электронных средств для обеспечения безопас-

ГЛОБАЛЬНАЯ МОРСКАЯ НАВИГАЦИОННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА:

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ


ности на море и защиты морской среды. Путь к созданию инфраструктуры электронной навигации, которая разре-шает беспрепятственную передачу информации между судном и берегом в глобальном масштабе, займет несколько лет [10].

Целью данной статьи является изложение подхода к построению такой глобальной информационной системы навигации, основанного на применении технологий, кото-рые активно используются в корпоративных и промышлен-ных информационных и управляющих системах и показали свою надежность и эффективность.

Рисунок 1 показывает пути передачи информации в рам-ках составных частей Глобальной морской навигационной информационной системы – ГМНИС. Единое информаци-онное поле (ЕИП) – это внутрисудовая информационная служба, которая собирает, обрабатывает, хранит и выдает по запросу все данные судовождения, доступные на борту.

Глобальное информационное пространство (ГИП) – это ми-ровая служба, аккумулирующая, обобщающая и выдающая в Глобальную морскую навигационную систему информа-цию из индивидуальных судовых информационных полей. На основе этих обобщенных данных ГМНИС предоставляет информационные сервисы для трех типцов потребителей:• бортовые системы обеспечения судовождения;• судовладельцы и транспортные компании;• государственные и международные береговые

службы.

Судовые сети передачи данных

Современный этап развития навигационного обеспече-ния судовождения характеризуется значительным увели-чением потоков разнородной информации, необходимой для принятия оптимальных управленческих решений, в том числе и в экстремальных ситуациях.

Автоматизированная система управления судном пред-усматривает получение сигналов с навигационных датчи-ков в различных форматах, которые можно объединить согласно Таблице.

Современной тенденцией является объединение всех источников информации и исполнительных механиз-мов судна в единую сеть. Как правило, это сеть TCP/IP (хотя в задачах автоматизации технических средств по-прежнему широко используется стек CAN-технологий). Проблема заключается в том, что каждый производитель интегрированных систем привносит свой собственный за-крытый протокол взаимодействия по сети и обычно имеет единственный блок, через который осуществляется под-ключение всех датчиков и исполнительных механизмов, работающих по стандартным протоколам. В Таблице приведен краткий список наиболее часто используемых протоколов обмена данными.

Существующие стандарты морских систем передачи данных не соответствуют требованиям современности

Рис. 1. Потоки данных ГМНИС

ТаблицаСетевые протоколы, применяемые в судостроении

Низко-уровневые протоколы CAN RS-232/422/485

EthernetToken Ring

IP+TCP/UDP

Высоко-уровневые протоколы

DeviceNetCANOpen

J1939NMEA2000

SeaTalk1

Modbus/RTUNMEA0183

Modbus/TCPNMEA0183SeaTalkHS2

NavNet3 Garmin Marine Network4

1 Raymarine2 Raymarine3 Furuno4 Garmin


по обеспечению необходимой степени автоматизации и информатизации процесса судовождения.

Процесс организации обмена для каждого вида устройств и типа автоматизированной системы управления судна решается особым способом – в виде отдельного про-токола, что приводит к значительным трудозатратам и неиз-бежным доработкам системы при ее модернизации: замене устройств одного типа на устройства другого, включение в состав нового источника информации, применение готово-го проекта автоматизированной системы судна для другого объекта и т.п.

Задача построения общесудовой системы обмена данны-ми сводится не только к обеспечению интеграции судовых систем на уровне низкоуровневых протоколов связи (физи-ческий, канальный и сетевой уровни по эталонной модели взаимодействия открытых систем), но и к обеспечению уни-фицированного способа обмена и хранения данных. Иными словами, для решения задачи приведения судовых автома-тизированных систем управления к уровню современности требуется построить единую сеть передачи данных и на ее основе обеспечить функционирование так называемого единого информационного поля.

Таким образом, задача формирования единого информа-ционного поля судна посредством получения и обработки в унифицированном виде данных, поступающих от техни-ческих и радиоэлектронных (информационных) средств весьма актуальна. Комплексное решение задачи обеспечит построение открытых, надежных и легко масштабируемых судовых систем передачи и обработки данных, послужит основой глубокой интеграции различных систем.

Подсистемы сбора и распределения данных ГМНИС

Единое информационное полеЕдиное информационное поле – это внутрисудовая

информационная служба, которая собирает, обраба- тывает, хранит и выдает по запросу все данные судовож- дения, доступные на борту (рис. 2).

Единое информационное поле является ядром судо-вой информационной системы и выполняет следующие функции:• унификация форматов передачи данных;• резервирование измерений;• косвенное вычисление величин;• уменьшение погрешности измерений за счет

комплексирования данных;• уменьшение задержки получения данных потре-

бителями;• обеспечение службы единого времени.Для решения задачи построения единого информа-

ционного поля судна ЗАО НПК «Агат-Аквариус» разра- ботало технологию интеграционной шины «Возничий». Интеграционная шина работает поверх сети передачи дан-ных, основанной на стеке TCP/IP. Согласно современным подходам к построению подобного рода систем, указанная технология строится на принципе модульности. Задачи, возлагаемые на транспортный и ниже уровни по эталонной модели взаимосвязи открытых систем OSI/ISO, решаются на уровне сети передачи данных и, следовательно, многообра-зие интерфейсов на нижних уровнях воспринимается как множество однородных для самой интеграционной шины.

Рис. 2. Единое информационное поле


Разработанная интеграционная шина построена по тем же принципам, что и широко применяемые в информа-ционных системах продукты класса Enterprise Service Bus (например, IBM WebSphere ESB, Microsoft BizTalk Server, Oracle Enterprise Service Bus).

Интеграционная шина обладает следующим набором функциональности, необходимым для обеспечения надеж-ного способа организации единого информационного поля:

• подключение функциональных задач посредством программных адаптеров;

• гарантированная доставка сообщений;• получение, хранение и выдача общих данных;• распределение прав доступа к данным;• преобразование протоколов передачи данных;• архивирование.

Для поддержки работы единого информационного поля используются специализированные коммуникационные серверы. Разработанный модуль «Агатис» (см. Приложение) реализует функции сетевого коммутатора, конвертера дан-ных (поддерживаются различные низкоуровневые и высо-коуровневые протоколы) и распределенного хранилища данных единого информационного поля.

Глобальное информационное пространствоГлобальное информационное пространство – это миро-

вая служба, аккумулирующая, обобщающая и выдающая в ГМНИС информацию из индивидуальных судовых инфор-мационных полей (рис. 3).

При проектировании единого информационного про-странства наиболее сложным моментом видится разра-ботка модели данных и выработка коммуникационных протоколов, которые должны соответствовать таким требо-ваниям, как:• данные должны передаваться через различные

каналы – АИС, спутниковые системы, WiFi и пр.• протоколы должны быть нечуствительны к помехам

и гарантировать целостность передаваемых данных;• быть хорошо защищенными в плане информационной

безопасности;• работать в условиях низкой пропускной способности

каналов и больших задержек передачи;• быть расширяемыми.Это предполагает большой объем работ по созданию но-

вого стандарта информационного взаимодействия и зани-мает 5-7 лет. И еще несколько лет пройдет до тех пор, пока он будет де-факто внедрен в промышленную эксплуатацию.

Информационные сервисы ГМНИС

ГМНИС должна строиться на базе современных «облач-ных» технологий и предоставлять ряд информационных сервисов класса SaaS (software as a service) [8].

Мониторинг и распределение разрешенийВ настоящее время все разрешения для судов выдаются

в бумажной форме и должны храниться на борту для

Рис. 3. Глабальное информационное пространство: а - центр управления ГМНИС; б - гидрометеослужбы, центры АИС, центры ОСДР, госслужбы (пограничные службы, таможнные службы, администрации портов, МЧС и т.п.); в - собственники, логистические компании.


предъявления. Переход к электронному документообо-роту в области выдачи разрешений позволит повысить надежность процессов выдачи и проверки. Новая систе-ма должна действовать наподобие того, как уже сейчас работает система электронных билетов на поезд или самолет. Электронное разрешение невозмож-но потерять или повредить. Данный сервис по-зволит береговым службам проверять наличие необходимых разрешений на вход в порт, на лов-лю биоресурсов и т.п. в автоматическом режиме. Такой подход повышает уровень безопасности и позволяет сократить число нарушений. Также сокра-щается вероятность ошибки вследствие человеческого фактора. Вмешательство персонала требуется только в чрезвычайных ситуациях.

Динамическое планирование маршрутаСервис для своей работы использует информацию

из всемирной базы данных по погодным условиям, параметрам судов, состоянию каналов и портов, актуаль-ных разрешений для каждого судна. На основании этих данных вырабатывается рекомендованный суб-оптималь-ный маршрут перехода (предварительная прокладка), который корректируется в режиме реального времени (исполнительная прокладка). В качестве аналога можно привести автомобильные навигаторы, которые используют информацию о пробках для выработки маршрута [2, 6].

Централизованная служба выработки маршрутов должна принести выгоду не только судоводителям и судовладель-цам. Данная информация является ключом к оптимизации загрузки портов и каналов, что важно с экологической и глобально-экономической точек зрения.

Отслеживание местоположения судна и перемещения грузовНа данный момент не создано единой морской логи-

стической среды, и каждая компания вынуждена строить свою. ГМНИС может предложить общий сервис для сквоз-ного контроля перемещений грузов. Глобальное информа-ционное пространство содержит данные о перемещениях судов, которые импортируются из служб АИС и ОСДР. Недо-стающие данные должны браться из портовых логистиче-ских систем. На данный момент существую разрозненные системы мониторинга, идею который необходимо развивать [3, 4, 5, 7].

Метеосводки и прогноз погодыТочная и своевременная информация о погодных факторах

очень важна для сокращения издержек. Известны случаи, ког-да за счет использования эффективной информационной си-стемы с данными по ледовой обстановке судовладелец смог отказаться от дорогостоящих услуг ледокольной проводки.

Передача экстренной информацииМеждународная конвенция по охране человеческой

жизни на море (СОЛАС, от англ. SOLAS, Safety of Life at Sea) определяет ряд каналов, по которым могут (и должны) пе-редаваться экстренные сообщения. ГМНИС не претендует на роль замены для данных систем. Напротив, она долж-на аккумулировать все сообщения из различных систем и предоставлять их без задержки и в наиболее полном виде потребителям.

Международная морская организация сделала большой шаг навстречу повышения уровня информатизации мо-реплавания – утвердила электронную картографическую навигационно-информационную систему (ЭКНИС) как обя-зательную и основную навигационную систему для почти всех типов судов среднего и большого водоизмещения [1].

Авторы предполагают, что дальнейшее развитие инду-стрии морской навигации будет идти по пути построения и развертывания глобальных информационно-навига-ционных систем, позволяющих повысить эффективность и безопасность мореплавания. Предпосылками являются наличие и возможность использования огромного количе-ства достоверной информации, содержащейся в бортовых и береговых системах.

Сбор информации начинается на борту за счет техно-логии единого информационного поля. Данные из еди-ного информационного поля по различным каналам связи передаются в глобальую распределенную базу данных, называемую глобальное информационное про-странство. Эти данные (с добавлением специализирован-ной информации, такой как электронные карты, матео-сводки и т. п.) используются глобальной информационной системой – ГМНИС – для предоставления ряда информаци-онных сервисов.

Описанный в статье подход к разработке глобальной информационной системы привнесет новый уровень безопасности плавания, позволит снизить издержки и сократить вредное воздействие на экологию.

На данный момент не создано единой морской логистической среды, и каждая компания вынуждена строить свою. ГМНИС может предложить общий сервис для сквозного контроля перемещений грузов.

ГМНИС необходимо строить как распределенную информационную систему на основе технологий «облачных» вычислений. Предлагается разработка отказоустойчивой вычислительной платформы - PaaS (Platform as a Service) и информационных сервисов – SaaS (Software as a Service).


Приложение

Мультипротокольный шлюз «Агатис»ЗАО НПК «Агат-Аквариус» разработан подход к пос-

троению общесудовой сети передачи данных, который обеспечивает необходимый уровень надежности, по-зволяя при этом сократить количество физических кана-лов связи и снизить время, необходимое для разработки проекта. Создан модельный ряд мультипротокольных шлюзов «Агатис», на основе которых предлагается строить общесудовые системы обмена данными.

Модуль «Агатис» предназначен для обеспечения взаим-ного преобразования между различными протоколами физического и информационного уровней и обеспечения передачи данных по сети Ethernet.

Может применяться для решения большого класса задач, включая:• сопряжение распределенных вычислительных систем;• подключение датчиков различного типа к простран-

ственно-распределенной вычислительной сети с при-своением метки времени;

• обеспечение преобразования протоколов передачи данных;

• обеспечение коммутации и маршрутизации потоков данных;

• организация транспортной сети для обеспечения местной связи и звуковой трансляции, видеонаблю-дения и т. п.;

• выгрузка данных в регистратор (VDR) в реальном времени;

• обеспечение службы единого времени;• контроль собственного состояния и выдача сигналов

аварийно-предупредительной сигнализации;• обеспечение единого информационного поля.Мультипротокольный шлюз позволяет осуществлять вза-

имные преобразования данных между различными прото-колами, что обеспечивает построение открытой, надежной и масштабируемой бортовой сети передачи данных. Управ-ление потоками данных производится на виртуальном уровне, следовательно, при добавлении нового оборудова-ния или замене существующего не требуется перестраивать всю сеть. Требуется только подключить новое устройство к «Агатису» и обновить правила маршрутизации.

Модули поддерживают следующие протоколы физиче-ского уровня:

• последовательный порт RS-232/422/485;• CAN bus;• Ethernet (витая пара или оптика).

Поверх протоколов физического уровня используются такие протоколы передачи данных:• CANOpen;• NMEA2000;• NMEA0183;• Modbus/RTU;• Modbus/TCP.На уровне приложений существует много проприе-

тарных форматов. Согласно предложенному подходу, си-стемный инженер (или разработчик) должен задать пра-вила преобразования данных только между «Агатисом» и сопрягаемой системой. Остальная часть общесудовой системы обмена данными использует единый «язык» для передачи данных. Это становится возможным благодаря тому, что в мультипротокольных шлюзах встроены про-граммные модули единого информационного поля, с помощью которых данные становятся доступными во всей сети.

1. Бюллетень № 28 изменений и дополнений к Консолиди-рованному тексту МК СОЛАС – 74. – СПб: ЦНИИМФ. – 2009. – 28 с.

2. Яндекс.Карты – http://maps.yandex.ru

3. http://www.appliedweather.com/products/bvs-ship-routing-combined.asp

4. http://www.marinetraffic.com/ais/

5. http://www.flightradar24.com/

6. http://weathernews.com/TFMS/services/vp/index.html

7. http://www.ndbc.noaa.gov/ship_obs.php

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Облачные_вычисления

9. http://www.imo.org/

10. http://www.e-navigation.com/

иСтОЧНиКи


ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ

МОБИЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКИСТАЙНОГО ПРИМЕНЕНИЯКРАТКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЗАРУБЕЖНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Мобильные роботы группового применения призваны заменить человеко-машинные системы и одиночных роботов при выполнении трудоемких, масштабных, однообразных или утомительных задач, а также задач, которые опасны для здоровья или жизни человека-оператора. Предмет настоящего обзора – экспертная оценка современного состояния дел, научно-технологических достижений и проблем, существующих в данной области, а также прогнозирование тенденций развития, перспективных приложений и физических ограничений на применение систем малой мобильной робототехники, проектируемых для использования в форме «стай» в гражданской, специальной и военной сферах деятельности.

Роботы «стайного» поведения образуют подмножество мобильной робототехники группового применения и от-личаются способностью самостоятельно организовывать свои действия в локальном пространстве. Это позволяет роботам более надежно решать поставленные задачи в сложных, быстроизменяющихся или заранее неизвестных условиях реальной эксплуатационной среды.

Стая роботов класса UXV (рис. 1) – это группа высокоавтономных мобильных роботов, которые действуют сообща для выполнения некоторой задачи. Такая задача (задание, операция, работа, «миссия») по-английски иногда характеризуется как «4D mission»: diffi cult, dull, dirty,

ООО «ИНТЕЛОНИКА»*Новосибирск

И.Е. БурдунА.Р. Бубин

* партнер ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»


НЕКОТОРЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В современной научно-технической литературе используются следующие аббревиатуры названий основных классов мобильной робототехники на русском и английском языках:БЛА – UAV (беспилотный летательный аппарат – Unmanned Aerial Vehicle);НПА – UUV (необитаемый подводный аппарат – Unmanned Underwater Vehicle);БНА – USV (безоператорный надводный аппарат – Unmanned Surface Vehicle);БСА – UGV (безоператорный сухопутный аппарат – Unmanned Ground Vehicle);БХА – UXV (безоператорный аппарат обобщенного (любого) класса - Unmanned Generic Vehicle).Известны и другие, близкие по семантике сокращения, например: БПЛА, ДУЛА, ДПЛА, АНПА, АПА, ROV, UCAV, AUV, ASV.

Двуязычный словарь рабочих терминов и аббревиатур по стайной робототехнике приводится в базе данных [1], включающей около 4 000 открытых электронных публикаций.

of dangerous mission. Поведение стайных роботов адапти-руется к текущей ситуации (самоорганизуется) на основе принципов этологии (зоопсихологии), заимствованных из живой природы, – с учетом специфики задач, команд внешнего оператора, тактических целей, ограничений, наблюдаемого состояния (отдельных роботов, группы в целом, внешней среды), запаса ресурсов, императивов поведения – с минимумом вмешательства оператора в процесс управления, для повышения эффективности, устойчивости («робастности») и безопасности применения в сложных и заранее неизвестных условиях эксплуатации.

Стайные роботы должны иметь небольшие размеры, уни-фицированную модульную конструкцию, надежную силовую установку и оснащаться специальным комплектом бортовых систем – для мультиспектрального наблюдения локального пространства, обмена информацией (между членами стаи и внешним оператором), настройки на выполнение задан-ных функций в стае (путем смены оборудования полезной нагрузки и др.), управления движением и оборудованием полезной нагрузки, обеспечения безопасности и др.

Гетерогенная стая состоит из групп роботов разных классов, например: UUV и USV; UAV и UGV; UUV, USV и UAV.

Некоторые наиболее известные природные стаи (рис. 2 на стр. 48): волчья стая, львиный прайд, стадо ан-тилоп, семейство сурикатов, рыбий косяк, птичья стая, осиный рой, колония муравьев.

Примеры искусственных стай (рис. 3 на стр. 48): поток ав-томобилей в «час пик», толпа людей (особенно в ситуации паники или ярости), поток пассажиров на станции метро, конница Чингизхана, стаи истребителей или подводных лодок вермахта времен Второй мировой войны, флеш-моб, очередь в магазине, брокеры на бирже.

Стаи отличаются многообразием форм и видов. Стерео-типы стайного поведения в живой природе оттачивались тысячелетиями. У природной стаи каждого вида имеются определенные цели и ограничения существования, среда обитания, класс решаемых задач, численность, этология, динамика, язык коммуникации, способы организации вза-имодействия. Численность природных стай, как правило, обратно пропорциональна размеру особи и варьируется от нескольких единиц до нескольких миллионов единиц.

О роли стайного поведенияВ форме стай существуют как хищники, так и потен-

циальные жертвы. У последних особи, которые в силу обстоя-тельств находятся ближе к хищникам, либо физически ока-зываются более слабыми, вынужденно становятся жертвами, но тем самым спасают остальных. Благодаря возможности динамической вариации численности и стереотипов пове-дения стайные системы являются эффективным инструмен-том борьбы за существование и доминирование, выполне-ния ресурсоемких работ, достижения других важных целей

Рис. 1. Рабочая классификация стайной робототехники


Рис. 2. Примеры природных стай

Рис. 3. Примеры искусственных стай


в сложных или неопределенных условиях. В частности, известно, что противостоять стайной атаке непросто, не только в одиночку, но и профессионально подготовлен-ной группе с централизованным управлением.

Наблюдение локальной окрестности каждым чле-ном стаи, внутренний информационный обмен и самоорганизация движения – основа эффективно-го функционирования стаи. Функции внутри стаи чет-ко распределены и автоматически перераспределя-ются в зависимости от ситуации. Например, в колонии муравьев есть «разведчики», «рабочие», «надсмотр- щики», «воины». Для транспортировки тяжелого груза муравьи действуют сообща, а, встретив на пути преграду, могут образовывать временный «живой мост» из сцеплен-ных особей для безопасного прохода основной массы колонистов. Аналогично, динамическая сцепка стаи под-водных и сухопутных роботов в форме сети (при помощи тросовых связей) может, например, использоваться для транспортировки тяжелого груза, в качестве заграждения или распределенной конструкции другого назначения.

Стайное поведение автомашин на многополосном шоссе в городе в «час пик» – не только источник заторов на дорогах, но и эффективный способ их устранения. Например, послед-ние исследования в области интеллектуального транспорта показывают [6], что даже частичное использование принци-пов и средств самоорганизации (автоматического локаль-ного информационного обмена и датчиков относительного положения в пространстве) в тактике группового движения автомобилей позволяет повысить пропускную способность

существующих многополосных автомагистралей в мегаполи-сах более, чем в три раза (при скорости движения 60 км/ч) и одновременно обеспечить безопасность движения.

В целом, анализ базы данных электронных пуб-ликаций UXV_Swarms показывает, что имитация стайных принципов в перспективной робототехнике груп-пового применения позволяет максимально полно исполь-зовать закон перехода количества в качество и преиму-щества адаптивного группового поведения во всех без исключения сферах приложений.

Принципы самоорганизации движенияУ природных стай есть несколько важных общих свойств.

Это самоорганизация движения, подчинение интересов одного интересам группы, однородность состава, разви-тый мультимодальный информационный обмен, хорошая наблюдаемость локального пространства, непостоянство численности, допустимость утраты и приобретения участ-ников и, как правило, отсутствие вожака или централизо-ванного (внешнего) управления.

Самоорганизация коллективного движения в любом со-обществе – это ключевое свойство. Во-первых, стайность позволяет минимизировать объем информации, которую необходимо обрабатывать в группе, повысить энергетиче-скую эффективность выполнения общей работы, а также резко уменьшить вероятность столкновений (между чле-нами стаи и с внешними препятствиями), то есть повысить безопасность деятельности. Во-вторых, стая может эффек-тивно решать жизненно важные для нее задачи, которые

Рис. 4. Принципы самоорганизации движения в стае роботов (модель К. Рейнольдса)


не под силу решить особям в одиночку.Стая характеризуется сложным, непредсказуемым

поведением, которое может подчиняться единой цели и внешне выглядит как интеллектуальное, как бы синхро-низированное извне массовое действие. Однако, такое поведение стаи является всего лишь результатом множе-ства локальных взаимодействий ее участников во време-ни и пространстве на основе трех базовых этологических принципов (рис. 4 на стр. 49):

(1) «не сталкиваться»;(2) «выравнивать скорости»;(3) «держаться вместе».Последовательное применение этих правил в локаль-

ном пространстве робота на очередном шаге движения стаи дает, соответственно, три целевых вектора скорости движения и три целевых вектора углового положения робота. Дополнительные целевые векторы скорости и про-странственного положения определяются выполняемой задачей (командами внешнего оператора), стереотипами и императивами поведения робота.

Результирующие целевые векторы вычисляются как взвешенные суммы вышеперечисленных векторов в зависимости от расстояния между роботами и других характеристик стаи. Эти векторы представляют собой целевое состояние для реализации на очередном шаге поведения при помощи органов управления скоростью движения, пространственным положением и оборудова-нием полезной нагрузки робота.

Модель К. РейнольдсаСтайное движение и его основные свойства хорошо под-

даются моделированию. Наиболее известной и простой является математическая модель самоорганизации дви-жения сообщества виртуальных динамических объектов – «бойдов», разработанная К. Рейнольдсом [2, 3].

Модель Рейнольдса позволяет воспроизвести базовые принципы стайного поведения (1) - (3) в искусственных со-обществах – без использования централизованного управ-ления и с малыми затратами вычислительных ресурсов. Согласно данной модели каждый шаг стайного поведения состоит из следующих действий:• автономное наблюдение роботом локального

пространства независимо от внешнего оператора;• автономное реагирование на изменение ситуации

в локальном пространстве согласно трем принципам, указанным выше;

• взаимодействие каждого робота – с соседями, пре-пятствиями, объектом работы – в локальном прос- транстве (на «микроскопическом» уровне);

• динамическая суперпозиция локальных взаимо-дей-ствий членов стаи во времени и пространстве для коллективного выполнения работы (на «микро-скопи-ческом» уровне).

На основе принципов (1) - (3) модели К. Рейнольдса

и базовых понятий, введенных выше, разработаны обо-бщенная математическая модель и библиотека базовых стереотипов «стайного» поведения мобильных роботов, которые представляются полезными для рассматриваемых сфер приложений [4].

Преимущества малой размерности стайных роботовИсследования показывают, что небольшие размеры ро-

ботов являются одним из ключевых свойств, определяю-щих эффективность стайных систем. Малая геометрическая размерность позволяет значительно уменьшить стоимость производства и цену одного робота, повысить надежность конструкции, рассматривать роботов фактически как рас-ходный материал при массовом использовании.

Внедрение малоразмерных роботов стайного приме-нения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с использованием человеко-машинных систем или дистан- ционно управляемых роботов. В том числе, это:• снижение эксплуатационных затрат;• возможность оперативного развертывания вложенных

систем мобильных роботов методом «матрешки»;• повышение безопасности для персонала и окружаю-

щей среды, возможность точного исследования ранее недоступных мест (подо льдом, на дне, в котловинах, расщелинах, вблизи других объектов со сложным ре-льефом и т.п.);

• существенное расширение географии и автономности работ;

• повышение устойчивости к неблагоприятным клима-тическим и эксплуатационным условиям, в том числе – к многофакторным;

• возможность выполнения принципиально новых видов работ.

Отмечается, в частности, что преимущества от исполь-зования стай малоразмерных роботов в задачах поиска или установки объектов на дне, обследования подводного пространства включают:• повышение точности координатной привязки и про-

изводительности работ;• повышение устойчивости группы к сбоям измери-

тельного оборудования полезной нагрузки у отдель-ных роботов;

• возможность составления более точных «портретов» событий и процессов как функции времени и про-странственных координат;

• ослабление влияния ошибок измерений на результаты;

• повышение уровня синхронизации работ.

Императивы поведенияВ действиях робота важную роль играют императивы

поведения. Императивы или «аксиомы» поведения – это базовые этические и юридические правила, которые


имеют у робота наивысший приоритет для исполнения в любой ситуации – с позиции безусловного обеспечения безопасности людей, непричинения вреда природе, чужому имуществу или техническому состоянию робота.

Императивы поведения в определенной степени можно рассматривать как аналоги известных законов робототехники, сформулированных писателем-фанта-стом А.Азимовым. В этой связи уместно отметить иссле-дования по разработке законодательной базы, системы императивов и ограничений поведения для мобиль-ных роботов. В частности, активно изучаются вопросы юридического обоснования возможности эксплуата-ции автономных и полуавтономных мобильных роботов гражданского назначения классов UAV и UGV в едином пространстве вместе с человеко-машинными системами и людьми.

Не менее актуальным является вопрос юридического обоснования боевых операций, которые ведут некоторые страны при помощи авиационных роботов военного и спе-циального назначения в воздушном пространстве других стран без уведомления правительств последних.

Преимущества роботов стайного примененияКонцепция стайного применения робототехники малого

и среднего классов имеет ряд преимуществ по сравнению с концепцией группового применения роботов на осно-ве принципов централизованного управления. Согласно оценкам ряда исследователей преимущества следующие:• возможность согласованного параллельного выпол-

нения работ в различных физических средах; (рис. 5)• повышение производительности работ (рис. 6);• снижение уровня требований к «бортовому

Рис. 5. Концепция организации гетерогенной системы роботов стайного применения


интеллекту» и многофункциональности роботов;• унификация платформы, модульность конструкции,

массовость производства, невысокая цена, возмож-ность использования роботов в качестве расходного материала;

• взаимозаменяемость модулей полезной нагрузки;• способность к динамической адаптации, более вы-

сокая надежность функционирования в сложных и неизвестных условиях внешней среды;

• «робастность» и масштабируемость приложений (нечувствительность к выходу из строя отдельных роботов или увеличению численности группы в про-цессе выполнения работы);

• меньшие затраты вычислительных ресурсов на управление (рис. 7);

• меньшая нагрузка на каналы связи и внешнего оператора;

• более высокий уровень и интуитивный характер внешнего управления;

• в целом – качественное повышение уровня, эффек-тивности и безопасности использования мобильной техники (рис. 8).

Прогнозы развития базовых технологийСогласно некоторым исследованиям [5] стайная мо-

дель представляет собой десятый – высший – уровень развития перспективных технологий группового приме-

Рис. 7. Способы обмена информацией и ситуационного управления в стае роботов

Рис. 6. Зависимость объема эффективной работы, выполненной группой взаимодействующих и независимых мобильных роботов, от численности группы


нения авиационных роботов военного и специального назначения (рис. 9).

Однако, согласно оценке других исследователей, для достижения полной автономизации применения роботов в форме стай предстоит решить ряд концеп-туальных и технологических задач. Ожидаемые сроки создания экспериментальных образцов БЛА для осна-щения высокоавтономных стайных систем: 2012-2015 гг. (оптимистический прогноз) или 2015-2020 гг. (сдержан-ный прогноз). Аналогичные прогнозы с поправкой на сро-ки существуют и для мобильных роботов других классов.

Недостатки и проблемы развития стайных системАнализ публикаций из базы данных показывает, что

применительно к мобильной робототехнике стайные модели поведения имеют ряд недостатков, которые тре-буют дополнительных фундаментальных и прикладных исследований и опытных разработок. Прежде всего, это непредсказуемость и трудности интерпретации движения – как отдельных роботов, так и стаи в целом – для внешне-го оператора или наблюдателя. Также возможна неустой-чивость (хаотичность) коллективного движения роботов при определенных значениях параметров настройки стай-ной модели и внешней среды. Указанный недостаток объ-ясняется высоким уровнем сложности, нелинейностью и нестационарностью поведения стайных систем.

Некоторые аналитики, тем не менее, рассматривают управляемую хаотичность и непредсказуемость траекто-

рии движения стай роботов как весьма ценное преимуще-ство в военных и специальных приложениях.

В области стайной робототехники также имеется ряд не-достаточно изученных научно-технологических проблем. К ним относятся:• дефицит концепций применения групповой робототех-

ники в гражданской, специальной и военной сферах;• несовершенство методов автономной координации

движения и принятия решений в стае для некоторых приложений;

Рис. 8. Образная иллюстрация преимуществ исполь-зования малой мобильной робототехники стайного применения

Рис. 9. Тенденции развития свойств автономизации управления авиационных роботов военного и специального назначения США (на основе [5])


• способы поиска источников энергии и автономной дозаправки (подзарядки) роботов в ходе приме- нения в полевых условиях;

• характеристики сменного оборудования полезной нагрузки (вес, габариты, модульность, унификация интерфейса, энергопотребление, номенклатура и др.);

• методы организации человеко-машинного интерфейса высокого уровня;

• методы избежания столкновений;• способы противодействия робототехническим стаям.

Ограничения стайной моделиКак и всякая техническая концепция, модель стайной

робототехники имеет свои принципиальные ограничения. К ним, в частности, относятся физические ограничения, накладываемые на допустимые параметры движения и управления мобильных аппаратов с шестью степенями свободы, характерные для основных физических сред (воздушное пространство, подводное пространство, водная поверхность, твердая поверхность и др.).

Вторая часть ограничений обусловлена использова-нием принципов самоорганизации и включает в себя: наблюдаемость локального пространства в условиях помех, динамические характеристики подвижных

Рис. 10 . Некоторые примеры опытных образцов-прототипов стайных робототехнических систем

• трудности идентификации состояния внешней среды (это общая проблема для одиночных мобильных ро-ботов и человеко-машинных систем);

• методы определения соответствия характеристик стайных робототехнических систем установленным требованиям (ввиду отсутствия нормативного бази-са и ограниченности спектра ожидаемых условий эксплуатации, которые могут быть воспроизведены на этапе испытаний);

• средства наблюдения локального пространства робота и идентификации препятствий в различных физических средах;

• способы дублирования наблюдения локального про-странства в разных диапазонах электромагнитного спектра;

• методы распознавания динамических образов и син-теза обобщенной картины наблюдаемой обстановки на основе данных, получаемых от различных датчиков;

• способы планирования и перепланирования зада-ния, распределения и перераспределения функций в стае;

• эффективный «язык общения» роботов в стае, спосо-бы гарантированного обмена информацией;

• обеспечение надежности исполнительных механиз-мов и силовой установки;


препятствий и других объектов, размер свободного про-странства для движения, ограничения используемых способов связи и др.

Спектр практических приложенийАнализ рынка, концептуальные разработки и результаты

опытных разработок показывают, что стайная робото-техника имеет высокий потенциал практических приложе-ний. Согласно оценкам экспертов, спектр перспективных приложений мобильной робототехники стайного приме-нения объективно широк.

Спектр гражданских работ варьируется от задач управ-ления потоками автотранспорта в мегаполисах, диагно-стики состояния протяженных объектов промышленной и энергетической инфраструктуры, сбора и переработки мусора, мониторинга удаленных территорий и акваторий, поиска и добычи полезных ископаемых, полной автома-тизации трудоемкого цикла сельскохозяйственных работ (земледелие, животноводство), круглосуточной помо-щи инвалидам и престарелым и до выполнения работ в лесном, сельском и рыбном хозяйстве.

В частности, для подводной среды гражданские прило-жения мобильных роботов стайного применения включают:• задачи исследования океана;• разведку и добычу полезных ископаемых (редко-

земельных металлов, углеводородов и др.) на конти-нентальном шельфе и др.;

• сбор и сортировку океанского мусора;• управление косяками рыбы в промышленном лове;• монтаж и обслуживание подводных коммуникаций;• сбор урожая на дне моря;• множество других задач.Спектр специальных задач применения стайной

робототехники включает:• охрану общественного порядка, стратегических

объектов, государственной границы и др.;• автономный поиск и автоматическое тушение

лесных пожаров;• борьбу с нашествиями саранчи;• патрулирование удаленных территорий и акваторий;• доставку срочных грузов и обеспечение связи

в чрезвычайных ситуациях;• подъем и буксировку затонувших морских

и воздушных судов;• сбор масштабных разливов нефти при авариях

на подводных скважинах;• выявление и пресечение браконьерства, каналов

контрабанды, наркотрафика;• мониторинг и документирование фактов незаконной

экономической деятельности;• защиту морского судоходства от пиратов и др. Примеры военных задач включают:• массированные стайные атаки стратегических

целей (ракетных комплексов, крупных подводных и надводных боевых кораблей, транспортных конвоев, объектов береговой инфраструктуры и т.п.);

• стайную защиту стратегических целей от стайных атак боевых мобильных роботов различных классов;

• минирование и разминирование территорий и акваторий;

• поиск, уничтожение и защиту подводных коммуникаций;

• охрану, разведку и блокирование работы портов, военных баз и др.;

• массированные наступательные и оборонительные операции в сложных условиях: мегаполисы, пересе-ченный рельеф местности, плотные боевые порядки противника (в том числе – стайные системы) и др.;

• патрулирование больших территорий и акваторий после захвата;

• другие задачи, не видимые в настоящее время.В заключение можно сформулировать некоторые выводы.Мобильная робототехника стайного применения –

важная и актуальная область научных исследований и опытных разработок, которые имеют высокий потен-циал практических приложений в рассмотренных сфе-рах деятельности Российской Федерации на период до середины XXI века. Вместе с тем, ряд технологий, которые составляют основу мобильной робототехники стайного применения, нуждаются в дальнейшем развитии и экспе-риментальном подтверждении. Использование разрабо-танной базы электронных публикаций по представленной тематике позволяет повысить эффективность реализа-ции начальных, наиболее ответственных и ресурсоемких этапов жизненного цикла робототехнических систем группового применения.

Обзор основан на исследовании, проведенном в результате создания и анализа базы данных открытых электронных публикаций в области разработок и приложений систем малой мобильной робототехники «стайного» применения основных классов.

Авторы выражают признательность руководству и сотрудникам ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» за возможность опубликования данной работы в юбилейном издании и творческое содействие в подготовке материалов статьи.


9. Huh S., A Survey on Swarm Robotics. – Seoul National University. – Korea, 2009. – 21 pp. (презентация).

10. Cao Y., Fukunaga A., Kahng A., Cooperative Mobile Robotics: Antecedents and Directions // Autonomous Robots. – Vol. 4, 1997. – P. 7-23.

11. Sahin E., Swarm Robotics: From Sources of Inspiration to Domains of Application // Swarm Robotics Workshop: State-of-the-art Survey. – No. 3342. – Lecture Notes in Computer Science, 2005. – P. 10-20.

12. Carlson S., Artificial Life: Boids of a Feather Flock Together // Scientific American. – November 2000. – (http://www.sciam.com/2000/1100issue/1100amsci.html).

13. www.alife.org.14. Broten G., Monckton S., Giesbrecht J., Verret S., Collier J. and

Digney B., Towards Distributed Intelligence – A High Level Definition // Technical Report. – DRDC Suffield TR 2004-287. – December 2004. – 71 pp.

15. Muniganti P and Pujol A.O., A Survey on Mathematical models of Swarm Robotics. – 10 pp.

16. Lluch D., Building Multi-UAV Simulation Methods // AIAA Paper 2002-4977. – AIAA, 2002. – 6 pp.

17. Bachrach J., McLurkin J., Grue A., Protoswarm: A Language for Programming Multi-Robot Systems Using the Amorphous Medium Abstraction (Short Paper) // Proc. of 7th Int. Conf. on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2008), Padgham, Parkes, Müller and Parsons (eds.), May, 12-16. – 2008. – Estoril, Portugal. – P. 1175-1178.

18. Kernbach S., Swarmrobot.org – Open-hardware Microrobotic Project for Large-scale Artificial Swarms. – 20 pp.

19. Schut M.C., Scientific Handbook for Simulation of Collective Intelligence. – Version 2. – February 2007. – 177 pp.

1. Бурдун И.Е., Бубин А.Р. База данных публикаций, состояние и перспективы разработок в области мобильной робототехники «стайного» применения (аналитический обзор) // Сб. материалов 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения Мирового океана», 3-7 октября 2011 года. – Владивосток, 2001. – С. 339-345.

2. Reynolds, C.W. Flocks, Herds and Schools: a Distributed Behavioral Model // Computer Graphics. – 1987. – Vol. 21, No. 4. – P. 25-34 (http://www.red3d.com/cwr/papers/1987/boids.html).

3. http://www.red3d.com/cwr/boids/ (веб-сайт Крейга Рейнольдса).4. Бурдун И.Е., Бубин А.Р. Метод самоорганизации стайного

поведения малых мобильных роботов гражданского и специального назначения для арктических приложений // Сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции «Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана», 9-13 августа 2010 года, СибГУТИ. – Новосибирск, 2010. – С. 141-149.

5. Air Warfare. OSD UAV Roadmap 2002-2027 // Office of the Secretary of Defense (Acquisition, Technology & Logistics). – USA. – December, 2002.

6. Tientrakool P., Reliable Neighborcast Protocol for Vehicular Ad hoc Networks // PhD Thesis, Columbia University. – USA, 2011. – 137 р.

7. Bayindir L., Sahin E., A Review of Studies in Swarm Robotics // Turkish Journal of Electrical Engineering. – 2007. – Vol.15, No. 2. – P. 115-147.

8. Gross R., Swarm Robotics // Companion slides for the book Bio-Inspired Artificial Intelligence: Theories, Methods, and Technologies by Dario Floreano and Claudio Mattiussi. – MIT Press, USA. – 2009. – 39 рp.


Рис. 11 . Примеры опытных образцов-прототипов стайных робототехнических систем


РЕКЛ

АМА


ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАВИГАЦИИ И СУДОВОЖДЕНИЯ: ЕВРОПЕЙСКИЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

ОБЗОР КОНФЕРЕНЦИИ МСМС’2012 Италия

19-21 сентября 2012 года в курортном городке Аренцано в 18 км от Генуи прошла Девятая конференция по навигации

и управлению морскими судами MCMC’2012 – 9th IFAC Conference on Manoeuvring and Control of Marine Craft.

Конференции серии MCMC проводятся раз в три года под эгидой Международной федерации автоматического управления (IFAC) и обеспечивают хорошую возможность

для согласования научных разработок в области общего автоматического управления потребностей морских приложений.

http://www.mcmc2012.issia.cnr.it

Организаторы MCMC’2012 смогли наглядно продемонстрировать, прежде всего, особенности европейского подхода к инновационным, высокотехнологичным исследованиям. Принципиальной основой является сочетание конкурентного финансирования общеевропейских кооперационных проектов и специализированных (национальных и региональных) программ. Участники конференции убедительно показали значение опережающих управленческих решений в сфере разработки программно-аппаратных управляющих комплексов гражданского назначения.

Основные результаты, по мнению организаторов MCMC’2012: • совместные демонстрация и обсуждение достижений и современных проблем в области навигации, наблюдения и

управления морскими судами между академическими исследователями и практиками отрасли; • обеспечение взаимодействия исследователей разных стран в целях обмена опытом, разработки и генерации новых

исследовательских проектов, научных и коммерческих приложений, а также определение направления будущих исследований.

В состав программного комитета вошли, прежде всего, представители Европейского сообщества – 37 участников из 12-ти стран ЕС, а также десять человек от Италии, шесть – от Великобритании, и четыре представителя Норвегии. Членами комитета являются также отдельные исследователи из США, Бразилии, России, Японии и Китая.

Исследователи, работающие в университетах и исследовательских центрах по всему миру, в течение трех дней получили возможность познакомиться с быстро развивающейся идеологией и практикой разработки морских информационно-управляющих систем гражданского назначения. Особую актуальность обсуждению придавали детали крушения современного круизного лайнера Costa Concordia 13 января 2012 года.

Секционные доклады были организованы в следующие тематические группы, примерно по 6 докладов в каждой:

Маневрирование. Шельфовые системы Корабельные информационно-управляющие системы

Информационные системы Моделирование и идентификация

Управление Поиск и устранение повреждений

Необитаемые подводные аппараты (UUV) Сетевые коммуникации под водой

Необитаемые надводные аппараты (USV) Дистанционно управляемые платформы

конф

ерен

ции,

вы

став

ки


Основные доклады, определяющие перспективы исследований, сделали: • Профессор Топи И. Фоссен (Тору I. Fossen, Норвежский университет науки и технологии)

Параметрическое исследование качки: частотный метод и активное управление• Доктор Дана Йорген (DanaYoerger, Океанографический институт Woods Hole, США)

Эволюция роботов для научного исследования морских глубин• Доктор Фабио Тринкарди (FabioTrincardi, Институт морских наук, Италия)

Национальный научно-исследовательский совет RITMARE. Итальянский опыт организации исследований моря Конкретные темы для обсуждения составили – управление, регулирование и мониторинг оптимизации и планирования

операций, проблем безопасности эксплуатации морских судов. Учитывая быстрое развитие области, особое внимание уделялось системам управления совместным движением групп, обсуждению вопросов навигации, наведения и управления роботизированными морскими объектами, в том числе автономными надводными и подводными средствами (AUV).

Российская сторона, несмотря на количество заявленных докладов, была представлена довольно скромно. В программу секций, связанных с аспектами разработки процессов управления кораблем, были включены доклады сотрудников Санкт-Петербургского государственного университета:• Логинов A.Ю., Проскурников А.В., Амброзовская E.Б., Ромаев Д.В.

DP Systems for Track Control of Dredging Vessels – Системы динамического позиционирования для управления земснарядом• Проскурников А.В., Амброзовская E.Б.

Thrust Ability Diagrams for Multi-Thruster Marine Vessels – Диаграмма достижимых сил для морских судов с несколькими органами управления

• Сотникова М.В.Ship Dynamics Control using Predictive Models – Управление динамикой корабля на основе упреждающего моделирования

• Веремей Е.И.H -Approach to Wave Disturbance Filtering for Marine Autopilots – H -подход к фильтрации волновых возмущений для автоматизированной системы управления кораблем

На промышленной секции был представлен доклад автора данного обзора – Кругликова С.В. (ИММ УрО РАН, Екатеринбург) – Априорное планирование совместного движения как задача гарантированного управления/оценивания .

Отдельный сюжет составили выступления, посвященные девяти проектам, получившим финансовую поддержку ЕС в рамках так называемой 7-рамочной программы – EC FP7; одно из направлений финансирования исследований принципиально организовано на основе международной кооперации. В ряде проектов возможно участие специалистов из России. В настоящее время начинается формирование нового цикла грантовой системы ЕС.

Представляет интерес Региональный перечень пяти ведущих инновационных проектов (TOP 5) в области систем корабельной автоматизации области Лигурии (Италия).• SWAD Sea Watch Dog Unmanned Surface Vehicle for Blue Water – Необитаемые надводные аппараты наблюдения

открытого моря;

Крушение лайнера Costa Concordia

конф

ерен

ции,

вы

став

ки


• ProDifCon – Интегрированное проектирование, защита и управление для кораблей ВМФ;• C3ISR – Сетецентрические системы тактического (C3: командование, управление, связь) и дозорного (ISR: разведка,

наблюдения, мониторинга) назначения с интеграцией элементов;• RIMA – Развитие технологий и программного обеспечения перспективной интегрированной сети Средиземного моря

по регулированию окружающей среды в открытом море и прибрежных водах; • USV PERMARE – Необитаемые надводные аппараты постоянного мониторинга моря. Экономические трудности, переживаемые Европейским союзом, с одной стороны, ведут к сокращению бюджетов на

исследования. С другой – заставляют концентрировать ограниченные средства на потенциально прорывных технологиях и промышленных приложениях. К разряду последних относят автономные роботизированные комплексы надводных и подводных аппаратов. Среди примерно сотни прозвучавших на конференции докладов – 28 были посвящены вопросам подводной робототехники, работе и взаимодействию как автономных необитаемых, так и неавтономных телеуправляемых аппаратов.

В сфере автоматизации работы автономных необитаемых подводных аппаратов основным трендом на сегодняшний день является постепенный переход от дистанционно управляемых оператором аппаратов с автономным двигателем к группам подводных роботов, самостоятельно выбирающих тактику решения поставленной задачи, уточняющих методику ее выполнения с учетом меняющейся обстановки, обменивающихся информацией друг с другом (см. также стр. 46-55). Поэтому целый ряд работ посвящен математическим алгоритмам стайного поведения роботов, вопросам навигации автономных аппаратов, алгоритмам и инженерным решениям в области автопилотов, алгоритмам принятия решений, интерфейсам «человек-робот», работе сонаров как элемента навигации, вопросам эксплуатации. В качестве канала связи рассматривался исключительно акустический канал, как для связи «база-робот», так и для связи «робот-робот» в стае. Значительное внимание уделено работам по проекту Евросоюза UAN – созданию подводной акустической сети, включающей в себя подводные, наземные и воздушные датчики. Задачей этой сети является защита морской и прибрежной инфраструктуры. Части этой системы были успешно испытаны весной 2011 года.

Участие в работе конференции приняли итальянские промышленные предприятия: Posidonia, EvoLogics, GraalTech, Roten, Polo DLTM, обеспечив демонстрацию продукции и возможностей.

Опыт участия в работе конференции MCMC’2012 позволяет утверждать, что уровень владения математиче-ским и программным аппаратом, достигнутый в РФ к настоящему времени, является вполне конкурентоспособным. Представляется перспективным включение в работу по разработке и созданию систем управления отдельными автоном-ными морскими аппаратами (AMVs) и их группами на основе задела существующего в математической теории оптималь-ного управления для задач, связанных с обходом препятствий в возмущенной среде или предупреждении столкновений движущихся объектов.

Проведение следующей конференции MCMC’2015 планируется в Японии.

Кругликов С.В. докладчик на конференции MCMC’2012

Институт математики и механики Уральского отделения РАН, Екатеринбург

конф

ерен

ции,

вы

став

ки


КАЛЕНДАРЬБЛИЖАЙШИХ СОБЫТИЙ

конф

ерен

ции,

вы

став

ки

БЛИЖАЙШИХ СОБЫТИЙБЛИЖАЙШИХ СОБЫТИЙ15-17 январяUnderwater InterventionНовый Орлеан, СШАhttp://www.underwaterintervention.com

29-31 января e-Navigation Underway 2013 Копенгаген-Осло, Дания-Норвегияhttp://www.e-navigation.net/

5-7 февраля Topsides, Platforms & HullsГалвестон, СШАwww.topsidesevent.com

6-8 февраля Seabed Mapping and Inspection 2013Гейло, Норвегияhttp://www.teknakurs.no

17-21 февраляIDEX 2013Абу Даби, ОАЭhttp://www.idexuae.ae

5-7 мартаSubsea Tieback Forum & ExhibitionСан Антонио, СШАwww.subseatiebackforum.com

5-7 марта Black Sea Oil & Gas София, Болгарияhttp://www.blackseaoilgas.com

19-21 мартаChina International Marine Technology & EquipmentПекин, Китайhttp://www.chinamaritime.com.cn

25-28 марта Coastal GeoTools 2013Миртл-Бич, СШАhttp://geotools.csc.noaa.gov

26-30 марта LIMA 2013 Langkawi International Maritime & Aerospace ExhibitionЛангкави, Малайзияhttp://www.lima.com.my

9-11 апреля Ocean Business Саутгемптон, Великобританияhttp://www.oceanbusiness.com

2-4 маяINAMARINE 2013 – The 3th Indonesia International Shipbuilding, Off shore, Marine, Machinery and Equipment Exhibition & Conference 2013Джакарта, Индонезияhttp://www.inamarine-exhibition.net

10-13 июняOceans’13 MTS/IEEE ConferenceБерген, Норвегияhttp://www.oceans13mtsieeebergen.org

19-20 июняUTC 2013 – Underwater Technology ConferenceБерген, Норвегияhttp://www.utc.no

19-21 июняTransNav 2013–10th International Navigational Conference on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation Гдыня, Польшаhttp://transnav2013.am.gdynia.pl

25-27 июняSeawork International 2013 Commercial Marine Exhibition & ForumСаутгемптон, Великобритания http://www.seawork.com

3-7 июляIMDS 2013 – Военно-морской салонСанкт-Петербург, Россияhttp://navalshow.ru

12-15 августаAUVSI’S Unmanned SystemsВашингтон, СШАhttp://www.auvsishow.org


ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» Москва

обзор подготовлен Арфаниди М.В. на основе зарубежных источников

ПОДВОДНЫЕ

КАБЕЛЬНЫЕ ОБСЕРВАТОРИИСЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ТИХОГО ОКЕАНА:

ПРОЕКТЫ НА ПЛАТО ХУАН ДЕ ФУКАТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР

В течение последних десяти лет произошел стремительный рывок в развитии систем оперативных наблюдений за океаном. Сегодня они представляют собой целый спектр технологических платформ, обеспечивающих непрерывный процесс наблюдений, накопление и передачу данных, анализ и прогнозирование на их основе, а также предоставление их конечным пользователям в режиме реального времени. В инфраструктуру глобальной системы наблюдения за океаном GOOS – Global Ocean Observing System – входит множество взаимосвязанных международных подсистем оперативных наблюдений, основанных на дрифтерных и стационарных измерениях [1].

Одно из направлений последних лет в этой области – создание кабельных глубоководных океанографических обсерваторий, рассчитанных на 25-30 лет непрерывных наблюдений с возможностью прямой передачи цифровой и видео-информации в Интернет в реальном режиме времени. Особенности развития таких сетей, их техническое обслуживание, состав оборудования и возможности рассмотрим на примере совместного канадско-американского масштабного проекта сети кабельных морских обсерваторий для долговременных океанографических исследований на подводном плато Хуан де Фука у северо-западного побережья североамериканского континента.

Инновационные океанографические технологии на сегодняшний день признаны междисциплинарной об-ластью, объединяющей науку об океане с инженерными дисциплинами и достижениями в области компьютерных технологий, работающей на задачи не только науки, но также промышленности, экономики и политики [18].

Современный уровень задач по исследованию океана требует развертывания долговременных измерительных сетей, в инфраструктуру которых входят разнообразные технические средства, новые поколения датчиков и источ-


– система наблюдений за океаном на Аляске; – Карибская региональная ассоциация; – система наблюдений центральной и северной

Калифорнии; – береговая система наблюдений Мексиканского

залива; – система наблюдения Великих озер; – региональная ассоциация среднеатлантических

систем наблюдения; – северо-западная ассоциация кабельных сетей

наблюдения за океаном; – северо-восточная региональная ассоциация

береговых систем наблюдения; – система наблюдений островов Тихого океана; – береговая система наблюдений южного берега

Калифорнии; – региональная ассоциация юго-восточных

береговых систем наблюдения.

AOOSCaRACenCOOS

GCOOS

GLOSMACOORA

NANOOS

NERACOOS

PacIOOSSCCOOS

SECOORA

Рис. 1. Составные части IOOS - североамериканской Комплексной системы наблюдения за океаном

ников энергии, способных к обеспечению длительных глубоководных работ. Сегодня в системы сбора океано-графических данных, кроме судов и подводных аппаратов, входят разветвленные сети дрейфующих и заякоренных буев, измерительных станций, глайдеров, а также спут-ники, передающие данные в национальные центры сбо-ра и обработки информации, которые, в свою очередь, распределяют ее между пользователями, а также про-гнозируют на основе полученных данных последующее состояние Мирового океана.

Создание полной инфраструктуры, включающей• систему оперативных наблюдений (в прибрежной

зоне и в открытом море); • информационную систему обмена и распределения

данных и продуктов их обработки; • систему моделирования и прогноза,

требует больших финансовых и временных затрат. Форма глобальной кооперации, объединение мате-

риальных ресурсов и научно-технических потенциалов исследователей и организаций разных стран становится основной формой, позволяющей успешно разворачивать в океане масштабные технологические проекты по обсле-дованию морской среды (такие как, например, система дрейфующих буев Argo [4]).

Благодаря этому глобальная система наблю-дений за океаном GOOS [1] реализуется силами более чем 70-ти стран и имеет возможность поддержи-вать океанографические службы по всему миру данными анализа морских и океанических переменных, обеспе- чивая точным описанием современного состояния Миро-вого океана, непрерывными прогнозами морских условий,

а также основой для прогноза климатических изменений. Основной задачей национальных и международных

центров обработки океанографической информации является интеграция данных, поступающих от различных технологических платформ и предоставление ее пользователям в глобально согласованных стандартах, иначе говоря, создание «единого языка» данных. Стандартизированная оперативная информация необхо-дима в первую очередь секторам крупной морской индустрии, таким как: нефтегазовая отрасль, транспорт и навигация, рыболовство, энергетика, сфера безопасности (предупреждение стихийных бедствий), а также военно-морские и экологические службы. Крупнейший европейский международный центр данных Coriolis [15] находится во Франции; он организован на базе Французского научно-исследовательского института по изучению моря – IFREMER (French Research Institute for Exploration of the Sea) [16].

Структуру GOOS составляют сектора, развивающие системы наблюдений в отдельных регионах. Наиболее крупные из них: EuroGOOS (European Global Ocean Observing System) – общеевропейская система наблюдения за океаном (о ней также на стр. 78-79), включающая ряд подсистем, а также IOOS (Integrated Ocean Observing System) – комплексная система наблюдения за океаном, курируемая США и охватывающая весь североамериканский регион.

Компоненты IOOS (рис. 1) в настоящее время достигли около 61% от первоначальной цели проекта. Вклад США в IOOS реализован в виде набора взаимозависимых систем (проектов), которые составляют около половины из 8 тыс. технических платформ, развернутых мировым сообщест-вом в океане в целом [2].


Рис. 2. Системы наблюдений за океаном северо-западной части Тихого океана (части NANOOS). В круге показаны взаимосвязанные проекты кабельных сетей, расположенные в районе плато Хуан де Фука. Крупнейшие из них: NEPTUNE (Канада) и Regional Scale Nodes (США).

Плато Хуан де Фука расположено на самой маленькой из 13-ти основных земных тектонических плит. С юга и запада плато ограничено Тихоокеанской плитой, а с востока - плитой североамериканского континента. Данный регион является одной из известных зон субдукции, где более тяжелая тектоническая плита Хуан де Фука со скоростью 4 см/год сталкивается с континентальной окраиной более старой и легкой плиты Северной Америки и частично погружается под нее. Механизмы взаимного трения тектонических плит и формирования за счет этого молодого геологического материала континентальной коры являются причиной широкого развития вулканизма и сейсмической активности, опасности образования цунами. Подобные зоны субдукции находятся к югу от Аляски и Алеутских островов, у берегов Чили, Индонезии, Японии и Новой Зеландии.

Небольшие размеры плиты Хуан де Фука и непосредственная близость активных зон от побережья обеспечивают уникальную возможность наблюдения различных глубоководных тектонических процессов.

Рис. 3. Географическое положение и геологические особенности района плато Хуан де Фука


Глубоководные кабельные обсерватории Особенный интерес представляет составная часть

североамериканской системы наблюдений за океаном NANOOS, в рамках которой развивается проект крупнейшей подводной сети морских обсерваторий на территории плато Хуан де Фука (рис. 2).

Подобные сети кабельных обсерваторий развиваются и в Европе. Например, в рамках проекта ESONET-EMSO – с двумя координационными центрами: • ESONET – European Seas Observatory NETwork – проект

сети глубоководных датчиков, соединенных с бере-гом акустической или кабельной связью – объединяет 14 стран (около 50 научных организаций Европы) [7]; координационный центр находится во Франции, в институте IFREMER.

• EMSO – European Multidisciplinary Seafl oor Observatory – объединяет специалистов из 12 стран Европей-ского союза [8]; координационный центр находится в итальянском Национальном институте геофизики и вулканологии.

Сеть развивается довольно активно, включая в свою структуру кабельные установки глубоководных нейтрин-ных телескопов ANTARES (у берегов Испании), NESTOR (у берегов Греции), стационарные буровые платформы, а также разворачивая новые отдельные кабельные измери-тельные станции.

Еще один европейский проект – EuroSITES с коорди-национным центром в Саутгемптоне (Великобритания) – объединяет 13 организаций-партнеров Европы и остро-вов Зеленого мыса и развивает сеть из девяти глубо-ководных кабельных обсерваторий на глубинах более 1000 метров [9].

В целом все эти проекты поддерживаются взаимосвязано и входят в 7-рамочную программу EC FP7, перспективы которой обсуждались в сентябре 2012 года на конференции в Италии (см. стр. 58-61). Их общей целью является соз-дание объединенной полномасштабной инфраструктуры европейских морей от Арктики до Черного моря, ведущей долгосрочные измерения и предоставляющей инфор-мацию в интерактивном режиме.

Принципиальными преимуществами канадско-амери-канского совместного проекта кабельных обсерваторий, развертываемых на Хуан де Фука, является, во-первых, географическое положение, позволяющее вести непре-рывные исследования глубоководных сейсмических и вулканических процессов в геологически активном регионе Тихого океана (рис. 3). А, во-вторых, – масштабы кабельных сетей.

Подводные узлы электропитания и массив оборудо-вания, составляющие подводную обсерваторию, рас-пределены на глубинах от 17 до 2660 метров. Десятки роботов подключены к Интернету с помощью экраниро-ванного кабеля питания и оптоволоконных линий связи, представляя собой своеобразный кибернетический

«подводный дом», позволяющий в режиме реального времени получать картину морского дна, вести многочи-сленные измерения.

Переход от использования морской измерительной тех-ники, зависящей от ограничений автономных источников питания, к развертыванию кабельных сетей, состоящих из целых массивов энергоемких датчиков, позволяет обеспечить устойчивое, долгосрочное и распределенное присутствие техники в океане на протяжении десятилетий. Кабельные обсерватории дают возможность ведения мно-голетних измерений большого числа параметров в сфере физики, химии, геологии и биологии океана, наблюдения эпизодических природных процессов, а также процессов, которые требуют для обнаружения длительных статис-тических временных рядов. Например:• эпизодические выбросы метана на дне моря; • подводные извержения и землетрясения;

а также наблюдение:• взаимозависимости между землетрясениями, образо-

ванием цунами и особенностями шельфа;• биогеохимических процессов, влияющих на морские

экосистемы;• долгосрочных изменений состояния морских

экосистем и др.Данные научные задачи могут быть решены только

путем создания непрерывных долгосрочных возможностей наблюдения с поддержанием двустороннего потока дан-ных в реальном режиме времени между обсерваторией и берегом, что позволяет управлять процессом исследова-ний, производить сложные удаленные операции, распрос-траняя интерактивное телеприсутствие человека в океане.

Кабельные сети обеспечивают не только электропитание оборудования и двустороннюю передачу данных в режиме реального времени, но и всеобщий доступ к данным через Интернет.

Работа самих обсерваторий сочетается со спутниковыми наблюдениями за поверхностью океана, а также периоди-ческими исследованиями с судов, в том числе и с целями мониторинга технического состояния кабельных узлов и оборудования, установки новых приборов.

Инфраструктура сети служит платформой для сочета-ния различных видов техники, развернутой во всей толще морской среды. Мобильность, возможность расширения,

Архивирование данных, получаемых за все время наблюдений, и обеспечение сетевого доступа ко всему массиву информации – есть ключевой момент в создании глобальной системы оперативных наблюдений за океаном с помощью кабельных подводных обсерваторий.


заменяемость узлов и отдельных единиц техники являются основными функциями для развития будущих морских обсерватории и реализации непрерывных многопрофиль-ных наблюдений за океаном различных пространственных и временных масштабов и охвата.

Проект региональной сети обсерваторий на плато Хуан де ФукаКонцепция региональных кабельных обсерваторий

северо-восточной части Тихого океана была обоснована Вашингтонским университетом в 1998 году в виде технико-экономического обоснования программы, получившей название NEPTUNE (Northeast Pacific Time-Series Undersea Networked Experiments) и предусматривающей создание кабельной измерительной сети, окружающей и пересекающей тектоническую плиту Хуан де Фука.

Канада выразила заинтересованность в строительстве инфраструктуры в северной части плато и к 2000 году также представила технический проект. На основе этих проектов было учреждено международное многопрофильное партнерство во главе с Вашингтонским университетом. Другими членами NEPTUNE стали: Океанографический институт Woods Hole (США), Канадский институт науки и технологии Тихого океана, Исследовательский институт Aquarium Monterey Bay (США), Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института (США).

Благодаря совместному финансированию канадских и американских федеральных органов и частных источников на первом этапе в рамках проекта NEPTUNE были созданы две прибрежные экспериментальные обсерватории: MARS в заливе Монтерей Бей (Калифорния, США) и VENUS между островом Ванкувер и штатом Британская Колумбия (Канада), ставшие площадками для разработки и тестирования мощных подводных узлов электропитания (рис. 4. а, б) [18].

Одновременно начались работы по развертыванию двух основных разветвленных кабельных обсерваторий – канадской и американской частей общего международного проекта непосредственно на плато Хуан де Фука.

Американская часть, которой занимается Национальный научный фонд OOI (Ocean Observatory Initiative) [13], в 2000 году была переименована в Региональную измерительную сеть (Regional Scale Nodes). Канада же продолжила развивать проект под названием NEPTUNE в северной части плато.

На рисунке 5 показаны схемы этих двух крупнейших морских обсерваторий. Сегодня измерительная сеть, охватывающая прибрежные и глубоководные области Хуан де Фука и достигающая расстояния 300 миль от побережья включает канадскую обсерваторию NEPTUNE (общей протяженностью ~ 850 км) и американский проект разветвленной сети Regional Scale Nodes (~ 900 км), две ветки которого тянутся к западному и северо-западному краям тектонической плиты и еще одна часть представляет собой мощный прибрежный измерительный массив Endurance Array.

Планируется, что развиваемый в тесном международном сотрудничестве проект, обеспечит непрерывное наблю-дение подводной среды в течение 25-30 лет, а также всеобщий бесплатный доступ к данным пользователей сети Интернет.

Основные направления исследований:• подводные вулканические процессы;• землетрясения и цунами;• минералы, металлы и углеводороды;• взаимодействие «океан-атмосфера»; • изменения климата;• циркуляция парниковых газов в океане;• морские экосистемы;• долгосрочные изменения производительности океана;• морские млекопитающие;• рыбные запасы;• загрязнение и токсичные водоросли.Рассмотрим подробнее структуру, состав оборудования,

особенности технического обслуживания и направления развития глубоководной обсерватории на примере канадского NEPTUNE – действующего интерактивного «подводного дома», открытого для сотрудничества.

Рис. 4 а, б. Подводные узлы питания, разработанные компанией L3MarinPro, легли в основу структуры подводных обсерваторий MARS, VENUS, NEPTUNE и RSN (Regional Scale Nodes)- Региональной измерительной сети;а (слева) – узел питания, б (справа) – защитный каркас весом 6,5 тонн.


Рис. 5. Крупнейшие кабельные обсерватории на плато Хуан де Фука. Региональная измерительная сеть – RSN (Regional Scale Nodes) – американская часть проекта; сеть NEPTUNE – канадская часть общего проекта


Рис. 6 а, б. Базовая структура обсерватории NEPTUNE Canada (вверху), схема основных компонентов (внизу)


Обсерватория NEPTUNE (Канада)Проект NEPTUNE стал первой в мире кабельной

обсерваторией, осуществившей идею прямой и непрерывной (круглосуточной) передачи данных со дна океана в сеть Интернет для всеобщего доступа.

Установка инфраструктуры и базового набора инстру-ментов обсерватории NEPTUNE Canada шла в течение четырех лет и была завершена в 2009 году. Она включает более чем 850 км оптоволоконного кабеля, соединяющего мощные узлы (станции) с подключенным оборудованием, и простирается на 350 км от побережья.

Проектирование кольцевой кабельной структуры, блоков питания, подводных ретрансляторов и разветвителей необходимой конструкции, разъемов для техники, устанавливаемой с использованием судов и телеуправляемых аппаратов, изготовление мощной системы распределения, модернизация береговой станции для обеспечения надежного энергоснабжения и другие технические задачи должны были удовлетворить высокие требования не только мощности и пропускной способности, но также управляемости сети и ее надежности при работе на больших глубинах продолжительное время.

Ключевая цель NEPTUNE – обеспечение комму-никационной платформы подводного телеприсут-ствия через глобальную сеть Интернет – потре-бовала создания инновационной комплексной системы связи. И если основные узлы обсерватории, протестированные при развертывании проектов VENUS

и MARS, создавались одним поставщиком, то компо-ненты системы связи (удлинители, распределительные коробки, серверы, маршрутизаторы и ретрансляторы, датчики) закупались и отдельно тестировались перед процессом интеграции в общий массив сети.

На текущий момент NEPTUNE имеет в своей структуре пять работающих подводных лабораторий (станций), называемых узлами, каждый из которых служит платформой для целого массива приборов (рис. 6 а, б). Предполагается также развитие шестого узла – Центральная впадина (Middle Valley), расположенного в сейсмически активной зоне у северной окраины плиты.

Места расположения основных узлов были выбраны в результате длительных дебатов при рассмотрении ключевых целей исследования, преследовавшихся при проектировании обсерватории (рис. 7).

Прокладка оптоволоконных кабелей осущест-влялась их непосредственным изготовителем – франко-американской корпорацией Alcatel Lucent с помощью специализированного судна Ile de Seine по технологии, отработанной в других районах океана. Пропускная способность первоначально уложенного кабеля составляет 2,5 Гб; мощность – 10 кВт.

На протяжении континентального склона кабелю требуется повышенная защита (от якорей проходящих кораблей, тралов и трения о камни во время приливов), на глубине он находится в большей безопасности.

На глубинах до 1500 м, (именно в этой зоне активно работают рыболовецкие суда), укладка производится

Рис. 7. Ключевые сферы исследований, проводимых на Хуан де Фука с помощью подводных кабельных обсерваторий


при помощи специальной конструкции, похожей на плуг, способной закапывать прокладываемый кабель на глубину до 3-х метров в грунт. На рисунке 8 а, б показаны образцы подводных кабеблей производства Alcatel-Lucent, а также процесс укладки оптоволоконного кабеля на Хуан де Фука в 2007 году.

Одновременно с кабелем устанавливались узлы производства L3MarinPro трапецевидной формы, защищенные прочными каркасами. Места разъемов и подключения оборудования закрыты специальными заслонками (дверями) (рис. 9 а, б). При последующем развертывании американской сети Regional Scale Nodes подобная конструкция базовых узлов использовалась только на протяжении континентального склона. Для более глубоких участков был разработан каркас открытого (скелетного) типа, во-первых, из-за гораздо меньшей опасности повреждений, во-вторых для обеспечения открытого доступа к разъемам, поскольку установка оборудования на глубине производится с помощью манипуляторов телеуправляемого аппарата.

Значительную часть работ по развертыванию и тех-ническому обслуживанию морских обсерваторий на Хуан де Фука выполняют телеуправляемые необитаемые подводные аппараты ROPOS канадского производства с широким набором возможностей (рис. 10).

Таблица 1

Основные узлы (станции) NEPTUNE Canada

Название станции Глубина, м Расположение Основные сферы исследований

Проход Фолгер 20-100прибрежный

шельф

• океаническая биогеохимия;• зона «суша-море»;• прибрежная океанография;• фито- и зоопланктон;• морские млекопитающие.

Каньон Баркли 400-1000континентальный склон, зона субдукции, подводный каньон

• выходы газогидратов;• экосистема газогидратов;• накопление и движение осадочных пород;• подъем глубинных вод на поверхность;• динамика экосистемы.

ODP 889 1250континентальный склон,

зона субдукции

• жидкости и газы морского дна;• газогидраты;• зона повышенной сейсмичности.

ODP 1027 2660середина абиссальной

равнины

• гидрологические условия в верхней части океанической коры;

• зона распространения цунами.

Эндевор 2200-2400 океанический хребет

• тектоника плит;• зона сейсмичности;• система гидротермальных выходов;• экология.

Возможности конфигурации, универсальность и адап-тивность комплекса ROPOS, позволили использовать его в том числе в работах по укладке кабеля на глубинах свыше 2000 метров.

Аппарат способен осуществлять сложные задачи по установке оборудования на станциях, обследовать дно с помощью гидролокатора, собирать образцы донных пород весом до 2000 кг, отбирать пробы воды, осущест-влять химический анализ проб в режиме реального време-ни, вести видеонаблюдения за морской флорой и фауной. Большинство высококачественных изображений поверх-ности дна и морских обитателей получены с помощью камеры, установленной на ROPOS (полученные с помощью аппарата изображения размещены на сайте обсерватории) [15, 19].

В Таблице 1 приведены характеристики пяти установленных и действующих на данный момент станций в структуре обсерватории NEPTUNE. Отмечены особенности их расположения и основные исследо-вательские задачи, решаемые в выбранных точках, поскольку с ними соотносится выбор оборудования.

Полный состав приборов и датчиков каждого узла, а также интерактивная возможность получения данных с каждого из них осуществляется через интерфейс сайта http://www.neptunecanada.ca.


Рис. 8 а, б. Подводные кабели производства Alcatel-Lucent; корабль Ile de Seine, прокладывающий кабель

Рис. 9. а, б. Установка базовых узлов NEPTUNE Canada; внизу – узел Эндевор (Endeavour), глубина ~ 2300 м

Рис. 10. Телеуправляемый подводный аппарат ROPOS с палубной спускоподъемной конструкцией


Таблица 2Состав оборудования на узле (станции) Каньон Баркли

(список технических платформ, прикрепленных к узлу питания с описанием местоположения и списком датчиков, установленных на каждой платформе)

Платформа,глубина установки

Среда(расположение относительно

основного узла электропитания)Инструменты, датчики

Upper Slope(396 м)

начало континентального склона,возле кромка шельфа, разлом склона

• донный измеритель давления• гидрофон• доплеровский акустический профилограф течений• зонд электропроводности, температуры, давления• широкополосный сейсмометр

Pod 2(396 м)

начало континентального склона, возле кромки шельфа

• черно-белая видеокамера• гидролокатор кругового обзора• акустический измеритель течений• седиментационная ловушка (ловушка для осадков)

VPS*(Vertical Profiler System)

(396 м)

начало континентального склона, возле кромки шельфа, разлом склона

• радиометр• эхолот• флюoрометр• датчик CO2

• зонд электропроводности, температуры, давления• гидрофон• доплеровский акустический профилограф течений• оптический датчик кислорода• датчик азота

Wally the Crawler 1(870 м)

подводный каньон, зона выхода газогидратов

• вебкамера• зонд электропроводности, температуры, давления• датчик метана• акустический измеритель течений• доплеровский акустический профилограф течений• флюoрометр• измеритель мутности

Pod 1(984 м)

верхушка каньона

• черно-белая видеокамера• гидрофон• гидролокатор кругового обзора• акустический измеритель течений

Pod 3(892 м)

центр каньона (восточная сторона)

• черно-белая видеокамера• гидролокатор кругового обзора• доплеровский акустический профилограф течений• зонд электропроводности, температуры, давления• планктонный насос• гидрофон

Pod 4(896 м)

центр каньона (западная сторона)

• зонд электропроводности, температуры, давления• флюoрометр• цветная видеокамера• микробный датчик

* после 8 месяцев использования система поднималась на ремонт


В качестве примера в Таблице 2 приведен состав обору-дования на измерительной станции Каньон Баркли, распо-ложенной на континентальном склоне в очень динамиче-ской зоне субдукции с подвижными донными породами и выходами газогидратов.

Семь отдельных платформ, каждая – со своим набором инструментов и датчиков, подключены к основному узлу питания и развернуты на глубинах ~ от 400 до 1000 метров.

Используются подключаемые базовые платформы раз-ных типов. Чаще всего это стационарная приборная плат-форма типа Pod – ящичная конструкция, внутри и вокруг которой устанавливаются дополнительные устройства. На рисунках 11-12 показан пример развертывания на дне стационарной платформы Pod 3.

Также в структуре обсерватории используется под-вижная небольшая платформа – первый в мире глубо-ководный гусеничный робот Wally, управление которым осуществляется через Интернет. Создан Wally немецкими учеными из Университета Якобса в Бремене (Германия) (рис. 13 а, б). Является базой для ряда измерительных при-боров, способен измерять температуру, соленость, кон-центрацию метана, свойства донных осадков. Способность вести измерения перемещаясь дает возможность получать массу актуальной информации об активной зоне газоги-дратов и перемещении донных пород.

Еще один тип базовой платформы – VPS (Vertical Profiler System), – разработан и построен японской компанией NGK Ocean. Капсула с набором различных датчиков,

Рис. 12. Pod 3, развернутый на дне

Рис. 11. Спуск Pod 3 на дно с помощью аппарата ROPOS

Рис. 13 а, б. Wally the Crawler – первый в мире глубоководный гусеничный робот с интернет-управлением


Рис. 14. VPS (Vertical Profiler System) или вертикальная система сбора данных.Система состоит из базовой платформы, устанавливаемой на дне, и корзины с плавучей капсулой, наполненной датчиками и измерителями (фото слева вверху). При развертывании капсула всплывает из корзины вертикально и способна производить измерения в толще воды: слева внизу – процесс установки VPS на дно, справа вверху – система VPS в развернутом рабочем состоянии.После восьми месяцев работы платформа VPS, установленная на узле Каньон Баркли, поднималась на поверхность для ремонта. Фото справа внизу – подъем системы из воды после восьми месяцев работы на дне.


Рис. 16. ROPOS берет пробы грунта на фоне Pod 2

Рис. 15. Измерительные приборы, разворачиваемые вокруг базовых платформ типа Pod с помощью кабельных удлинителей. Слева направо: гидрофон, седиментационная ловушка, планктонный насос.

Рис. 17. Установка сейсмографа с помощью ROPOS

присоединенная к закрепленной на дне платформе, в рабочем состоянии всплывает и способна регистрировать процессы в 400-метровой толще воды. Приборы, установленные на такой вертикальной системе сбора данных, ведут наблюдения за соленостью, температурой, растворенными газами и органическими соединениями, планктоном и морской фауной (рис. 14).

Помимо непрерывного потока данных, идущих с датчиков и позволяющих отслеживать и реагировать на зафиксированные приборами события, сеть позволяет управлять приборами, которые не могут работать непрерывно, например при отборе проб воды или получении конкретных изображений.

И те и другие данные в любом случае в реальном ре-жиме времени поступают в Интернет. В разделе Data & Tools –> Latest reading (www.neptunecanada.ca) без авто-ри-зации доступны обновляемые каждую минуту замеры, со всех работающих датчиков обсерватории (кроме тех, которые на ремонте или не ведут непрерывные замеры): соленость, давление, плотность, температура, электропро-водность, концентрация кислорода, скорость звука, мут-ность воды, концентрация метана и др.

Также в открытом доступе выложены галереи фотоизо-бражений, полученных с помощью цветной видеокамеры

аппарата ROPOS, аудио-записи, полученные с гидрофо-нов: звуки землетрясений, голоса китов и дельфинов, звуки надводых кораблей, а также live-видео с черно-белых камер, установленных на стационарных платформах и ро-ботах Wally, .

Для доступа ко всему возможному для пользователей инструментарию необходима бесплатная авторизация и установка специального программного обеспечения Oceans 2.0 Tools. Это позволяет получить доступ к архиву информации, обсуждениям, потоковому видео погружений аппарата ROPOS во время экспедиционных работ, а также согласованному между пользователями из разных стран управлению видеокамерами.

Информация о крупнейших событиях, зафиксированных в океане, не только архивируется, сохраняя все особен- ности их протекания, но также становится основой для организации сотрудничества пользователей из разных стран.

Так, например, после разрушительного землетрясения в Японии в 2011 году цунами рассеяло в Тихом океане около 1,5 млн. тонн мусора в восточном направлении. Приближе-ние мусора к западным берегам американского континента прогнозируется в течение всего 2013 года. Обсерватория и специалисты, сотрудничающие с ней, разработали программу по отслеживанию передвижения мусора для более деталь-


Рис. 19. Корабль Thomas G. Thompson выходит в экспедицию

ного изучения океанских течений и, в том числе, для органи-зации своевременных работ по очистке береговой линии.

Последнее крупное землетрясение, зафиксированое всеми сейсмодатчиками обсерватории без исключения, – мощные толчки силой до 7,7 баллов у центрального острова Гавайского архипелага 27 сентября текущего года (рис. 18). Эпицентр землетрясения находился в 600 км к югу от острова Ванкувер. В режиме онлайн можно было наблю-дать как сотрясения морского дна волнами расходились по региону, как менялся уровень моря и давление от расхо-дящихся океанских волн.

Экспедиционные работы по обследованию и поддержа-нию технического состояния обсерватории производятся каждый год, начиная с 2008-го. Судно Thomas G. Thompson, снабженное всей необходимой аппаратурой, при под-держке небольших береговых судов производят обход всех узлов сети, проверку состояния оборудования, замену инструментов, отбор проб и подводную съемку с помощью аппарата ROPOS. Последний рейс завершен в текущем 2012 году, причем за всеми подробностями экспедиционных работ можно также следить в Интернете, на странице проекта NEPTUNE.

Идет дальнейшее усовершенствование программного обеспечения для доступа к данным. Разработан специаль-ный интерфейс для смартфонов, что позволяет специали-стам получать информацию в режиме любой деятельности, на конференциях или в экспедициях. Технология позво-ляет настроить получение автоматических уведомлений, например, об обнаружении резкого изменения показате-лей определенного датчика, и реагировать на изменения немедленно.

Используя технологии и опыт обсерваторий NEPTUNE и VENUS, Универстит Виктории развивает сегодня проект небольшой кабельной обсерватории в условиях Арктики.

Архитектура и техническое воплощение кабельной обсерватории NEPTUNE имеют много преимуществ, став основой для дальнейшего процесса совершенствования подходов к решению технических задач на дне моря, в том числе и для коммерческих проектов. Сеть обладает хоро-шими качествами управляемости и может быть усовершен-ствована за счет увеличения оптического канала и, соответ-ственно, скорости передачи данных, замены и расширения количества используемой аппаратуры.

Рис. 18. Землетрясение, произошедшее у берегов Гавайских островов, зафиксированное датчиками на всех узлах обсерватории, 27.09.2012 г.


12. http://www.oceannetworks.ca/ – объединенный сайт сети Канадских морских обсерваторий

13. http://www.oceanobservatories.org – сайт проекта Ocean Observatories Initiative (США)

14. http://www.interactiveoceans.washington.edu – объеди-ненный сайт Ocean Observatories Initiative – сети регио-нальных кабельных обсерваторий северо-восточной части Тихого океана

15. http://www.neptunecanada.ca/ – сайт обсерватории NEPTUNE (Канада)

16. http://venus.uvic.ca/ – сайт обсерватории VENUS (Канада)17. http://www.mbari.org/mars/ - сайт подводной обсерватории

MARS (США)18. http://www2.l-3com.com/maripro/ – сайт компании

L3MariPro (США) – производителя подводных коммуни-кационных кабельных установок и узлов

19. http://www.flickr.com/photos/neptunecanada/ – фотога-лерея проекта NEPTUNE

20. http://www.ropos.com/ – сайт производителя подводных телеуправляемых аппаратов ROPOS

21. http://www.envirtech.org – сайт компании Envirtech, производителя морской техники для долговременных подводных измерений

22. http://www.whoi.edu – сайт Океанографического института Woods Hole (США)

23. http://www.washington.edu/ – сайт Вашингтонского университета (США)

24. http://www.ocean.washington.edu/ – сайт океаногра-фической школы Вашингтонского университета

25. http://www.cev.washington.edu/ – сайт Центра эколо-гической визуализации Вашингтонского университета

1. http://www.ioc-goos.org/ – сайт GOOS – Global Ocean Observ-ing System – Глобальной системы наблюдения за океаном

2. http://www.ioos.gov – сайт IOOS – Integrated Ocean Ob-serving System – Комплексной системы наблюдений за океаном, развивают и курируют которую США. Является частью GOOS.

3. http://www.iooc.us/ – сайт IOOC – Interagensy Ocean Observing Committee – Межведомственного комитета систем наблюдений за океаном (США)

4. http://www.argo.ucsd.edu/ – сайт международного проекта дрейфующих буев Argo

5. http://www.coriolis.eu.org/ – сайт крупнейшего евро-пейского международного центра океанографической информации Coriolis институте IFREMER (Франция)

6. http://wwz.ifremer.fr – сайт IFREMER – Research Institute for Exploration of the Sea – Французского научно-исследовательского института по изучению моря.

7. http://wwz.ifremer.fr/esonet_emso – страница проекта ESONET – European Seas Observatory NETwork – Европейской сети морских обсерваторий – на сайте института IFREMER

8. www.emso-eu.org – сайт EMSO – European multidisciplinary seafloor observatory – Европейская сеть многопрофильных донных обсерваторий

9. http://www.eurosites.info – сайт European Ocean Observatory Network – Европейская сеть глубоководных океанических кабельных обсерваторий

10. http://www.oceansites.org – сайт проекта Ocean Sites – объединенной международной научной сети долгосрочных морских измерений.

11. http://www.km3net.org – сайт европейского проекта – глубоководного нейтринного телескопа.

иСтОЧНиКи

Рис. 20. Одиннадцать мониторов с разной информацией позволяют наблюдать за всеми процессами в рамках экспедиционных работ по обслуживанию и мониторингу узлов обсерватории


ОПЕРАТИВНАЯ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ФИНСКОГО ЗАЛИВА

Глобальное потепление климата и связанные с этим риски повышения уровня океана, возникновения опасных гидрометеорологических явлений и катастроф, обусловили необхо-димость создания оперативных систем наблюдений в море и дальнейшего развития методов и технологий прогнозирования. Интегрирование технологии математической модели совместно с обработкой и представлением данных наблюдений в удобной для пользователей форме в режиме реального времени широко применяется и внедряется в практику работы гидрографических служб и агентств за рубежом. Такие технологии получили название – оперативной океанографии и стремительно развиваются последние два десятилетия.

Создание и развитие оперативных океанографических систем позволяет обеспечивать безопасность на море, использовать систему при управлении морскими ресурсами и береговой деятельностью, для предотвращения разливов нефти и контроля изменения климата, изучения ледовых условий, качества воды и распространения загрязнений.

Российский государственныйгидрометеорологический университет (РГГМУ)*Санкт-Петербург

Т.Р. ЕрёминаЛ.Н. Карлин

* участник Tехнологической платформы «Освоение океана»

В виду сложной экономической ситуации в 90-е годы в России наметилось значительное отставание в обла-сти создания оперативных океанографических систем. Однако экономический рост начала XXI столетия и связанное с ним развитие морской деятельности в РФ обусловили необходимость развития новейших методов и технологий прогнозирования.

Накопленный ранее огромный опыт проведения и организации измерений в морях и океанах, сохранение научного потенциала в области моделирования, а также возможности использования накопленного европейского опыта и технологий благодаря участию российских ученых

в европейских программах и проектах, создали предпо-сылки к развитию современных отечественных технологий в области оперативных океанографических систем.

Одной из региональных систем, входящих в состав общеев-ропейской системы измерений EuroGOOS, является Балтий-ская оперативная океанографическая система – BOOS (Baltic Operational Oceanographic System), представляющая собой ас-социацию различных служб, агентств и институтов всех стран балтийского региона. Такая структура позволяет странам-членам BOOS участвовать в обмене информацией, размещаемой на сайте http://boos.org.

Российская Федерация также входит в состав членов BOOS; ее представителями являются Северо-Западный Росгидромет и Российский государственный гидроме-теорологический университет. Следует упомянуть также о возможностях, обеспеченных для участников BOOS, таких как сотрудничество между научными коллективами в ходе выполнения различных проектов в сфере оперативной океанографии, совместная работа по развитию и совершенствованию оперативных гидродина-мических моделей Балтийского моря, являющихся основ-ным компонентом оперативных океанографических систем балтийских стран, с целью улучшения качества и точности прогнозов.


Один из ключевых элементов структуры EuroGOOS, основанной в 1994 году в целях развития оперативной океанографии в европейских морях и прилегающих к ним частях океанов, – это создание региональных морских научных коллективов для решения задач, связанных с морскими наблюдениями и работающих в Балтийском, Северо-Западном шельфовом, Арктическом, Атлантическом и Средиземном регионах. Эти зоны радикально отличаются своими океанологическими характеристиками, степенью разработанности и экономическим положением, следовательно, каждый из них требует отдельного внимания как независимые бассейны.

В настоящее время для региона Балтийского моря в составе единого оперативного комплекса, разработан-ного совместными усилиями специалистов Германии, Швеции, Дании и Нидерландов, используются: прогности-ческая модель атмосферы HIRLAM – High Resolution Limited Area Model (http://hirlam.org) и трехмерная модель моря HIROMB – High Resolution Operational Model of the Baltic Sea.

Используемая версия атмосферной модели HIRLAM имеет разрешение 11 км. Расчетная область HIROMB по-крывает Северное и Балтийское моря. Горизонтальное раз-решение модели в Балтийском море, проливах Скагеррак и Каттегат составляет одну морскую милю, число слоев равно – 24. Модель объединена с гидрологической моделью HBV, дающей ежесуточно сток основных рек, впадающих в Балтийское море.

Прогноз состояния Балтийского моря в рамках описанно-го модельного комплекса подготавливается на предстоящие 48 часов в Шведском метеорологическом и гидрологиче-ском институте SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute) ежедневно и выдается каждые 3 часа. Результаты прогноза доступны через 5-6 часов после начала расчета в виде различных продуктов, таких как предупреждения о на-воднениях и прогнозы вдоль маршрутов судов.

Прогностические гидрофизические поля верхних 16-ти водных слоев, наряду с полями скорости ветра и давле-ния в атмосферном пограничном слое, являются входной информацией для еще одной модели комплекса – SeaTrack, предназначенной для мониторинга и прогноза распростра-

нения нефтяных загрязнений по морской акватории. В SMHI разработано специальное программное обеспечение – SeaTrackweb, – позволяющее пользователю получать через Интернет прогнозы дрейфа нефтяных пятен в Балтийском море. Пользователь имеет возможность непосредствен-ного доступа к последним 48-часовым прогнозам скоро-стей ветра и течений. В настоящее время почти все страны Балтийского региона, включая Россию, являются членами сообщества HIROMB.

Одним из первых примеров разработки элементов оперативной океанографической системы в Северо-Запад-ном регионе России является создание в РГГМУ, совместно со специалистами Санкт-Петербургского отделения института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, а также Арктического и Антарктического научно-исследовательского института, прототипа современной оперативной системы прогноза состояния вод Финского залива и распространения загрязнений – GULFOOS [1, 2, 3]. В качестве оперативной гидродинамической модели используется трехмерная термо-гидродинамическая модель GOFM, включающая в себя блоки циркуляции моря и морского льда [3].

Создание оперативной системы прогноза на основе модельного комплекса является весьма актуальным и необходимым для российского сектора прибрежных акваторий Балтийского моря, где наряду с частыми при-родными катастрофами велик риск техногенных катастроф, наносящих ущерб природной среде, экономике и населе-нию этого региона России.


Рис. 1. Комплекс согласованных гидродинамических моделей как основа оперативной океанографической системы для Финского залива


Рис. 2. Схема оперативной модели нефтяного загрязнения

Особенно высока актуальность прогноза поведения нефтяных пятен на акватории Финского залива в свя-зи с резким ростом вероятности аварийных разливов, вызванным увеличением объема морских нефтепере-возок, строительством портов и нефтяных терминалов в течение последнего десятилетия (Усть-Луга, Приморск, Высоцк). Морской трафик в Финском заливе растет очень динамично [4]. Объем нефти, транспортируемой через за-лив, за период с 1995 по 2004 год увеличился с 20 до 104 миллионов тонн. Есть основания полагать, что к 2012 рост объемов перевозимой нефти превысит 200 млн. тонн.

Опасность аварийных разливов нефти многократно воз-растает в случае нагонных наводнений в Финском заливе и Невской губе, возникающих при прохождении глубоких ци-клонов над Балтийским морем. В Санкт-Петербурге за его 300-летнюю историю произошло почти 300 наводнений, из них 48 – за последние 25 лет. Для прогноза наводнений и борьбы с ними в регионе и Санкт-Петербурге в течение многих лет проводятся научные исследования по гидроло-гии и морской метеорологии.

Оперативный прогноз этого опасного явления составляется в Гидрометцентре Санкт-Петербурга сино-птическими методами. Гидродинамический прогноз в его нынешнем виде применяется в качестве вспомо-гательного, что связано с недостаточной точностью; она в значительной мере обусловлена неточностями прогноза

входных атмосферных параметров. Поэтому уточнение метеорологического прогноза – необходимое условие уточнения прогноза наводнений и повышения его заблаговременности.

Общая структура модельного комплекса для прогнози-рования гидрофизических характеристик и распростране-ния загрязнений в Финском заливе приведены на рисунках 1 и 2.

Модельный комплекс состоит из:• гидродинамической модели Финского залива (GOFM);• гидродинамической модели Невской губы (NEVAM);• блока ассимиляции данных наблюдений;• модели нефтяного загрязнения OilMAPS. Для получения граничных условий используются результа-

ты прогнозов полученных по моделям HIRLAM и HIROMB. При инициализации оперативного счета на первом шаге

по времени (момент времени t0) модельный комплекс ис-пользует в качестве начальных условий результаты рас-четов по модели HIROMB. В дальнейшем начальными условиями для актуального прогноза в момент времени t гидродинамических характеристик в Финском заливе явля-ется результат прогноза в t-1 момент времени, а в случае поступления данных натурных наблюдений для коррекции начальных условий используется процедура ассимиляции данных.

Краткое описание системы и визуализация результа-


Рис. 3. Схема расположения океанографических станций, выполняемых РГГМУ при проведении экспедиционных исследований (http://gulfoos.rshu.ru)

тов прогноза можно найти на сайте Российского госу-дарственного гидрометеорологического университета http://gulfoos.rshu.ru (рис. 3 и 4 а, б)

Успешность океанографического прогноза для небольших ограниченных районов моря определяется совершенством используемой гидродинамической модели, а также качеством прогноза атмосферных характеристик, начальных условий и граничных условий на жидкой части границы. Последний фактор – задание прогностических условий на жидкой части границы – ключевая проблема океанографического прогноза, успешное решение которой в значительной мере определяет качество конечного результата.

Действительно, собственно гидродинамическая модель может совершенствоваться, обеспечивая повышение качества расчета гидродинамических полей. Граничные условия на поверхности моря задаются на основе той или иной оперативной атмосферной модели, прогнозы по

которой используют поступающую в реальном времени информацию об атмосферных характеристиках. Началь-ные условия в исследуемом бассейне, которые берутся, как правило, из результатов предыдущего прогноза, могут быть «подправлены» данными наблюдений с использо-ванием современных методов ассимиляции. Качество же условий на жидкой границе полностью определяется дру-гой (внешней) оперативной океанографической моделью, которая в отличие от атмосферных моделей использует ограниченное число данных наблюдений и ухудшается в результате неизбежной интерполяции с сетки внешней модели на сетку, используемую основной прогностиче-ской моделью. Таким образом, единственный для разра-ботчика путь совершенствования океанографического прогноза исследуемого района моря – ассимиляция в оперативном режиме как можно большего объема дан-ных наблюдений, включая спутниковую информацию.

Одной из основных характеристик, наблюдаемых в режи-

В настоящее время европейскими странами балтийского региона обеспечивается выполнение нескольких станций регулярных океанографических наблюдений. На отдельных станциях наблюдения регистрируются в режиме реального времени, тогда как на остальных – передаются с задержкой по времени.

Данные в реальном времени поступают либо от постоянно действующих станций измерений, либо с судов, выполняющих национальные программы мониторинга, а также от судов, выполняющих попутные измерения. Общее количество станций на Балтике, работающих в режиме реального и близкого к реальному времени составляет 130 и 53 станции, соответственно [4].


Рис. 4 а, б. Прогнозы пространственного распределения температуры поверхности воды и солености, полученные с использованием оперативного модельного комплекса GULFOOS (http://gulfoos.rshu.ru)

ме реального времени, является уровень моря, измеряе-мый, главным образом, вблизи берегов Балтийского моря. Значения уровня считываются с датчиков ежеминутно и передаются по FTP-каналу на сайт BOOS.

Измерения вертикального распределения температуры и солености, как правило, производятся во время судовых исследований. Однако, лишь небольшая часть измерений температуры и солености производится в реальном, или близком к реальному времени, и может быть использова-на для построения разрезов распределения температуры и солености. Вместе с тем, одной из наиболее серьезных причин, ограничивающих оперативность обеспечения данными по различным районам моря, несомненно, яв-ляется недоступность существующих данных или их недо-статок. Для целей оперативного обеспечения требуется, чтобы как минимум одна автоматизированная измери-тельная система функционировала во всех суб-бассейнах Балтийского моря.

1. Карлин Л.Н., Рябченко В.А., Ванкевич Р.Е., Еремина Т.Р., Исаев А.В., Неелов И.А. Испытание оперативной океаног-рафической системы при прогнозе гидродинамических характеристик в Финском заливе Балтийского моря // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. – 2010ю – № 3 (9). – С. 39-48.

2. Становой В.В., Лавренов И.В., Неелов И.А. Система модели-рования разливов нефти в ледовитых морях // Проблемы Арктики и Антарктики – 2007. – вып. 77. – С. 7-16.

3. Neelov I.A., Eremina T.R., Isaev A.V., Ryabchenko V.A., Savchuk O.P., Vankevich R.E. A simulation of the Gulf of Finland ecosystem with 3-D model // Proc. Estonian Acad. Sci. Ecol. – 2003. – V. 52. No 3. – P. 346-359.

4. Lepparanta M., Myberg K. Physical Oceanography of the Baltic Sea. – UK, Praxis Publishing Ltd., 2009. – 377 p.



РЕДАКЦИОННАЯ ГРУППА:

Руководство:Кобылянский В.В.

Выпускающий редактор:Арфаниди М.В.

Технические консультанты:Губанов Ю.П.Кулаев А.Г.Лушников Д.Л. Горшков А.Г.

Дизайн и верстка:Арфаниди М.В.

Организационная помощь:Рыбаченко М.В.

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: 23, 33, 57, 3-я полоса обложки.

Издатель: Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»Адрес редакции: Москва, ул. Шоссе Энтузиастов, д. 29Тел.: +7 495 603-9065E-mail: [email protected], [email protected]: www.concern-agat.ru, www.ocean-platform.ru

Источники фотоматериалов по полосам:1-5 Департамент по информационным и рекламным технологиям ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»; 8 ship.bsu.by; 12 sdelanounas.ru; 16-17 motorpix.com; 18 topwar.ru; 19 esacademic.com; 20 usnews.com; 21 navy.mil; 24 oilrigs.com; 40 istockphoto.com; 46 lis2.epfl .ch; 48 desktopwallpapers.org.ua, wallpapersgroup.com, listofi mages.com, imgsou.com, esacademic.com, pestcontrol-carlsbad.com, hughcares.net, picstopin.com, fl ickr.com, worldsculture.ru, forexmat.ru, sevavto.com, formel1de.com, allday.ru, sq.com.ua; 53 condenaststore.com; 54 blog.ascens-ist.eu/category/robots/, robotics.youngester.com, lis2.epfl .ch, cs.bham.ac.uk; 56 marinexplore.com, alternatehistory.com; 58-60 oceansys.fe.up.pt, awi.de, econnect.com.au, mini-itx.ru, jamstec.go.jp, nrl.navy.mil; 78-79 forum.deir.org

Печать:ООО «Август Борг»Москва, Амурская ул., д. 5, стр. 2

Обложка:© Мария Грицай, www.istockphoto.com© ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», 2012 Подписано в печать: 03.12.2012 г. Тираж: 1000 экз.

87No.1 / 2012, Морские информационно-управляющие системыРЕКЛ

АМА

Морские информационно-управляющие системы

Documents