Концептуальные положения мониторинга подводной обстановки морской акватории Азово-Черноморского региона

привело к происхождению жизни (именно первичное разделение зарядов в целом нейтрального тела)! А уже потом возникли токи и сопутствующие им магнитные поля (что и характерно для волн ЭМВ обобщенной правой круговой поляризации). Живое порождает живое, но и возникновение жизни произошло от первичного разделения зарядов в пространстве -именно поэтому живое проявляет такую «гиперчувствительность» к таким ЭМВ («ребенка» всегда тянет в первую очередь к матери!).

Выводы

1. Для живой материи первичным все-таки является разделение зарядов, а уже вторичным - их движение (т.е. токи и магнитные поля их сопровождающие).

2. Такая чувствительность живой материи именно к ЭМВ левой обобщенной круговой поляризации, по-видимому, и обусловлена тем, что (!) привело к происхождению жизни (именно первичное разделение зарядов в целом нейтрального тела)! А уже потом возникли токи и сопутствующие им магнитные поля (что и характерно для волн ЭМВ обобщенной правой круговой поляризации).

3. Живое порождает живое, но и возникновение жизни произошло от первичного разделения зарядов в пространстве - именно поэтому живое проявляет такую «гиперчувствительность» к таким ЭМВ («ребенка» всегда тянет в первую очередь к матери!).

4. Полученные в работе результаты могут в дальнейшем служить для уточнения и совершенствования существующих моделей и методов анализа нанобиообъектов, обладающих хиральными и селективными свойствами в мм-диапазоне электромагнитных волн (нетепловой интенсивности).

Список литературы

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука, 1982. -624с.

2. Каценеленбаум Б.З., Коршунова E.H., Сивов А.Н., Шатров А.Д. Хиральные электродинамические объекты//УФН. - 1997. - Т. 167, №11.- С. 1201-1212.

3. Russev S.C, Boyanov M.I.. Drolet J.-P.. Leblanc R.M. Analytical determination of optical constants a substrate in the presence of a covering layer by use of ellipsometric data // Journal of Optical Society of America. A. - 1999. - Vol. 16, № 6. - P.1496-1500.

4. Кизель B.A. Отражение света. - M.: Наука, 1973. - 352 с.

5. Кизель В.А. Физические причины диссимметрии живых систем. - М.: Наука, 1985. - 120 с.

6. Волькенштейн М.В. Биофизика - М.: Наука, 1988. - 592 с.

7. Федоров Ф.И. Теория гиротропии. -Минск, 1976.

УДК 681.883:656:551:623

Зорин Вячеслав Юрьевич

начальник управления - заместитель начальника НИЦ ВС Украины

Гладких Игорь Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидрографии и морской геодезии ОНМА

Михайлов Валерий Иванович доктор географических наук, ведущий научный сотрудник НИЦ ВС Украины

Капочкина Маргарита Борисовна научный сотрудник НИЦ ВС Украины

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОНИТОРИНГА ПОДВОДНОЙ ОБСТАНОВКИ МОРСКОЙ АКВАТОРИИ АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКОГО РЕГИОНА.

CONCEPT OF MONITORING UNDER WA TER SITUA TION OF SEA AREA AZOV-BLACK SEA.

Zorin V.

head of department - deputy head research centre Armed Forces of Ukraine

Gladkykh I.

doctor of technical sciences, professor, head of the department of hydrography and marine geodesy ONMA

Mikhailov V.

doctor of geographical sciences, leading researcher research centre Armed Forces of Ukraine

Kapochkina M.

researcher of research centre Armed Forces of Ukraine

Аннотация: Выполнен аналитический обзор зарубежных концепций систем мониторинга подводной обстановки морских акваторий. На основании результатов научных исследований, выполненных в соответствии с проектами «HYDRA», «UPF», «SeaWeb network», «DADS» «MORPH», нами предложена концепция сетеметрической системы мониторинга подводной обстановки морских акваторий путем применения сравнительно недорогих не возвращаемых подзаряжаемых подводных роботизированных комплексов. Функционирование такой сети беспилотных подводных аппаратов требует создания донной и береговой инфраструктуры.

Ключевые слова: Беспилотный подводный аппарат, подводная инфраструктура систем связи и морской геодезии, донные энерго-генерирующие станции.

Summary: Performed analytical review of foreign concepts of monitoring of maritime underwater situation. Based on the results of research carried out in accordance with the Project HYDRA, UPF, "SeaWeb network" "DADS" "MORPH", we proposed the concept network underwater situation monitoring system of marine areas by applying low-cost non-back rechargeable underwater robotic systems.

Keywords: Unmanned submersible, underwater communication systems infrastructure and marine surveying, bottom power-generating station.

Постановка проблемы. В соответствии c государственными программами по сохранению биологических и минеральных ресурсов шельфовых зон Чёрного и Азовского морей, международной Экологической программой по Черному морю при Глобальном фонде по окружающей среде «BSEP», Конвенцией по сохранению экологического состояния Чёрного моря, а также с целью гидрографического обеспечения морского транспорта, предусмотрено совершенствование мониторинга подводной обстановки Чёрного и Азовского морей.

Профессором, д.т.н. В.С. Блинцовым предложена концепция создания системы мониторинга подводной обстановки морской акватории с использованием подводных беспилотных аппаратов (ПБА) [1].

Целью исследования является

совершенствование концепции развития

робототехнических технологий в пределах морской экономической зоны Украины. Для достижения этой цели необходимо выполнить аналитический обзор существующих зарубежных концепций развития ПБА и наиболее перспективные технические решения адаптировать к географическим, гидрографическим, гидроакустическим и другим условиям в пределах морской экономической зоны Украины.

Анализ последних исследований и публикаций. В соответствии с опубликованной концепцией [1], предлагается создание иерархической структуры системы мониторинга подводной обстановки состоящей из центрального звена системы - центра сбора и обработки информации, стационарных звеньев системы мониторинга, ПБА. По мнению автора концепции, система мониторинга подводной обстановки в Черном море должна охватывать 200 мильную морскую экономическую зону.

Технический проект системы мониторинга подводной обстановки акватории подразумевает использование разных типов ПБА, разнесенных друг от друга на расстояние не более 2-х радиусов обзора аппарата [1]. Важной особенностью, предлагаемой концепции, является применение различных технических средств, в зависимости от удаленности от берега. Предлагается включить в состав системы мониторинга подводной обстановки стационарные донные гидроакустические станции, работающие в режиме гидролокации; ПБА - носители гидроакустических систем и видеодатчиков, связанные друг с другом и с Центром по радиоканалу и/или спутниковому каналу; средства авиакосмического наблюдения (гражданские и военные самолеты, беспилотные летательные аппараты, дирижабли, космические аппараты).

Исходя из предложенной концепции, ПБА являются носителями гидроакустических и видео систем.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. По нашему мнению концепция мониторинга подводной обстановки морской акватории должна использовать преимущества географических и гидрографических особенностей шельфов Азово-Черноморского региона.

Небольшие глубины шельфовых зон Украины в Черном и Азовском морях, низкие оптические свойства вод за счет твердого стока Дуная, Днестра, Буга, Днепра Кубани и Дона, при развертывании элементов донной инфраструктуры системы мониторинга подводной обстановки необходимо рассматривать не как недостатки, а как преимущество. Такие условия позволяют с меньшими затратами и с меньшим риском обнаружения элементов донной инфраструктуры развернуть на шельфах Черного и Азовского морей современную сетецентрическую систему из рассредоточенных в водной толще необслуживаемых и не возвращаемых малогабаритных ПБА. Географические особенности конфигурации морской береговой зоны Украины позволяют обеспечивать высокую эффективность управления с береговых пунктов практически любым участком создаваемой сетецентрической системы. Нами предлагается объединить в одной системе два принципа организации мониторинга - мониторинг в Эйлеровской системе координат, примером которого является международная сеть заякоренных буйковых станций [2] и мониторинг в Логранжевой системе координат, примером которого является распределенная по поверхности океана сеть дрейфующих буёв [3]. Высокая эффективность сетецентрической системы мониторинга подводной обстановки может быть обеспечена достаточной плотностью ПБА. Создаваемая сеть должна c достаточной плотностью покрывать шельфовую зону, как по площади, так и по глубине. На первом этапе можно развернуть сетецентрическую систему рубежного типа, а в дальнейшем, накрытие этой сетью всей морской экономической зоны Украины. Важным отличием нашей концепции, является использование не возвращаемых ПБА, что существенно сокращает затраты на их обслуживание. На примере используемой длительное время сети дрифтеров (поверхностных буев) средний срок их функционирования, составляющий примерно 8 месяцев, оценен как достаточно продолжительный. Использование ПБА, способных оценивать внешние угрозы и реагировать на них, по нашему мнению, позволит значительно повысить длительность их функционирования. По нашему мнению уничтожение малогабаритного ПБА, в том числе

радиотехническими средствами, практически невозможно по техническим причинам и нецелесообразно по экономическим причинам.

Зарубежный опыт свидетельствует о широких перспективах применения ПБА при мониторинге подводной обстановки. Еще двадцать лет назад центром «Naval Underwater Warfare Center» использование ПБА, кроме выполнения боевых задач предполагало [4]:

- ведение гидроакустической, радиотехнической и оптоэлектронной разведки;

- установку быстро развертываемых позиционных, мобильных и дрейфующих линейных антенн, низкочастотных гидроакустических излучателей, необслуживаемых подводных датчиков длительного действия;

- осуществление широкополосной цифровой звукоподводной связи, управление распределенной сетью датчиков, ретрансляция данных от выдвинутых в море систем на корабельные и береговые командные центры;

- развертывание малогабаритных автономных ПБА для решения обеспечивающих и специальных

задач;

- сбор гидрологических и океанографических данных, картографирование морского дна.

Примерно 10 лет назад, в рамках реализации концепции FORCEnet, была разработана программа «Морская паутина» (Seaweb network) [5], в рамках которой активно применялись развертываемые необслуживаемые датчики, взаимодействующие с ПБА. Примерно в то же время была предложена развертываемая автономная протяженная система DADS (Deployable Autonomous Distributed System) [6], акустический комплекс быстрого реагирования рубежного типа.

Базовую основу DADS составляли:

- сеть донных гидроакустических станций с вертикальной и горизонтальной приемными антеннами и гидроакустическими модемами;

- сеть автономных донных станций с гидроакустическими и неакустическими средствами обнаружения;

- комплект заякоренных гидролокаторов направленной подсветки (с остронаправленными излучателями подсветки) для создания рубежей наблюдений;

- сеть ПБА, играющих роль точек доступа (для средств радио- и гидроакустической связи).

Создание такой сетецентрической системы уже позволяло вести если не мониторинг, то продолжительное наблюдение за подводной обстановкой. В отличие от концепции профессора, д.т.н. Блинцова В.С., ПБА дополнительно использовались в роли точек доступа для средств радио- и гидроакустической связи.

В развитие системы DADS, пять лет назад начали серьезно рассматривать проекты создания сетей ПБА, аналогом которых является существующая сеть дрейфующих роботизированных систем типа ARGO [3]. Из множества направлений развития подводных аппаратов, подразделяемых на телеуправляемые и автономные, большие, средние,

малые и сверхминиатюрные, с целью создания мультиагентной сетецентрической структуры авторами исследования [7], выполненного по заданию концерна РФ «Морское подводное оружие», рассматривается класс малых ПБА с массой до 200 кг и размером до 2 м. Специфика использования таких аппаратов заключается в небольшом энергетическом ресурсе, ограничивающем радиус его действия, возможность транспортировать грузы, применять энергоемкие системы радиоэлектронной борьбы, средства активной гидролокации и др. С другой стороны, высокий «интеллект» современных ПБА позволяет выдвигать высокие требования к автономности, многофункциональности, поддержке коллективного поведения. Решение проблемы энергообеспечения в пределах территориальных вод Украины возможно путем подзарядки аккумуляторов подводного робототехнического комплекса от донных или плавающих энергогенерирующих систем. В то же время, целесообразна комплектация аппаратов системами подзарядки от возобновляемых источников энергии, например, солнечной энергии, энергии волн, разницы температуры поверхностных и придонных вод. По нашему мнению, современный уровень развития комплектующих для изготовления ПБА позволяет создавать устройства длинной до одного метра. Известно, что вес робототехнического комплекса в основном определяется весом аккумуляторов. Использование принципа подзарядки аккумуляторов от внешних источников, а так же от встроенных энергогенерирующих систем позволяет уменьшить вес подводного роботизированного комплекса до 50 кг.

По нашему мнению, система мониторинга подводной обстановки морской акватории должна включать соответствующую подводную, надводную и береговую инфраструктуру. Это береговые пункты управления, сбора и обработки информации, дополнительные береговые системы обеспечения каналами связи, альтернативными IRIDIUM, береговые станции навигационно-геодезического обеспечения, альтернативные GPS, стационарные донные системы ретрансляции информации по гидроакустическому каналу, стационарные донные системы позиционирования подводных

роботизированных комплексов. Создаваемая система сетецентрического мониторинга подводной обстановки должна использовать и преимущества существующего радиолокационного покрытия поверхности акваторий Черного и Азовского морей.

Первый практический опыт создания сетецентрических систем подводных

робототехнических комплексов получен в рамках проекта «SubCULTron» стоимостью 4,55 млн. долларов [8]. В рамках этого проекта задействовано 120 микро- ПБА трёх типов. Плавающие по поверхности роботы «aPads», относятся к элементам инфраструктуры, обеспечивающей позиционирование и связь рабочих ПБА «aFish» и элементов донной инфраструктуры - стационарных робототехнических устройств - «aMussels».

Рис. 1 - Микро-робототехнические аппараты и устройства а- aPads, б - aFish, в - aMussels [8]

Рабочие роботы aFish проводят измерения течений, температуры, концентрации кислорода, рН, мутности, плотности, выполняют видеосъемку.

Одно из направлений проекта - отработка взаимодействия внутри сетецентрической системы мониторинга подводной обстановки. При разработке алгоритмов взаимодействия между роботами авторы проекта воспользовались примерами взаимодействия живых организмов, когда каждый действуя индивидуально, участвует в принятии коллективных решений. Первая презентация проекта «8иЪСиЬТгоп» прошла на ЭКСПО 2015 в Венеции 15-16.10.2015 года [9]. Наиболее близкими для решения задач мониторинга подводной обстановки являются ПБА

«Noptilus», разработанные в рамках Европейского проекта «SUNRISE» [10] ПБА длинной чуть более метра, способные работать в составе группы, выполняя сканирование морского дна и передавая полученную информацию до берегового центра управления с помощью гидроакустического канала. ПБА «Noptilus» по многим параметрам соответствуют нашим концептуальным положениям. В качестве примера подводной инфраструктуры, обеспечивающей подводную связь, в том числе ретрансляцию информации используя сеть рассредоточенных ПБА и донных станций можно привести проект «Морская паутина» [5], рис. 2.

Demonstrated capabilities:

Sea web network with UUVs

US/Canada collaboration Gulf of Mexico, Feb 1-8, 2003

aweb

/ v

UUVnose section

Over-the-horizo commandeertfer

2 Racom buoy gateway nodes

Iridium sa radio links

/

el lite

(V

I.

Snipboard command center

FreeWave radio links

>>»)M<<1

...

aJ

6 fixed repeater nodes

3 glider UUV mobile nodes

» Mobile gateway nodes » Mobile sensor nodes » 200 km logged by UUVs * 300 hrs logged by UUVs « Node-tomultinode comm/nav

<32*©'3' ф-V

5РЛИ/ЛЯ Systems Сепкг, iart Cfego

Рис. 2 - Схема донной инфраструктуры системы передачи информации от подводных робототехнических

комплексов [11].

Система обеспечения связью еще в 2003 году обеспечивала передачу информации по гидроакустическому каналу на буи, с которых по радиоканалу на спутниковую систему связи, на корабли управления и береговые пункты сбора и обработки информации. В условиях мелководья, характерных для Азово-Черноморского региона может быть целесообразно, для управления сетеметрической системой мониторинга подводной обстановки,

использовать канал сверх длинноволновой радиосвязи, способной принимать информацию под водой на глубинах до 20 м. Для этого необходимо создать соответствующую береговую инфраструктуру.

Кроме передачи получаемой информации, сетиметрическая система должна в режиме «Online» обеспечивать позиционирование ПБА. В связи с тем, что системы спутниковой геодезии не работают под водой, обычно используют инструменты инерциальной навигации, определение надводного

положения ПБА с помощью GPS. Создание дополнительных систем определения координат по данным маяков донной геодезической сети, используя береговую инфраструктуру в виде объектов радиогеодезии, радиопеленгации, создание специальной маркировки морского дна позволит повысить надежность функционирования

сетеметрической системы в целом.

На рис.3 показан пример наиболее простой донной геодезической сети. Для создания такой сети на дно устанавливаются гидроакустические маяки, координаты которых определяются с использованием спутниковой геодезии. Гидроакустические маяки используются для позиционирования ПБА, работающих в подводном положении.

Шшу.

OPS saielNte

AUV cruising on the surface for ranging to the sea floor trans ponders

Acoustic mirror transponder

Рис. 3 Пример донной геодезической сети [12]

Как уже было указано, основным отличием нашей концепции является использование недорогих малогабаритных невозвращаемых и необслуживаемых ПБА. Это может быть достигнуто путем развертывания сети энергогенерирующих станций, применяемых, в том числе и для подзарядки ПБА. В соответствии с концепцией профессора, д.т.н. Блинцова В.С. в Черноморском регионе предлагается создание таких плавучих энергогенерирующих платформ, но для энергообеспечения береговых объектов.

Наряду с энергогенерирующими плавучими платформами известны технические решения по созданию донных энергогенерирующих станций, использующих энергию морских течений, приливов и др. В работе [13], например, приведено описание стационарно устанавливаемого на дно комплекса, укомплектованного системой электропитания

функционирующего за счет энергии подводных течений. Устройство предназначено для защиты морских платформ по добыче нефти и газа.

Самой главной проблемой функционирования сетецентрической системы является разработка программного обеспечения для управления системой мониторинга подводной обстановки. На создание программного обеспечения, для развертывания в реальном времени под водой сетевой инфраструктуры с необходимым уровнем контроля, развитые страны затрачивают миллиарды долларов [14]. В РФ по заказу Концерна «Морское подводное оружие» [7] разработаны принципы создания систем управления сетей ПБА. С точки зрения коллективного поведения, сетецентрическая структура разделяется на два подкласса. Первый подкласс - имеет ограниченное число возвращаемых к точке приёма ПБА (каждый ПБА содержит элементы индивидуальной и групповой

миссии). Второй подкласс, представляющий собой «облако», образованное подводными не возвращаемыми микро- ПБА, формирует сетецентрическое информационное поле,

используемое в режиме реального времени.

Как указывают авторы [7], в зависимости от способа организации сетецентрической системы выделяют централизованный и децентрализованный типы управления. Централизованное управление характеризуется ограниченным радиусом действий, падением эффективности робототехнических комплексов при увеличении численности состава группировки и высокой вероятностью разрушения всей сетецентрической системы в случае уничтожения центра управления.

При децентрализованном управлении требуется минимальный уровень управления, группировка ПБА может расширяться до значительных пределов, формируются условия высокой отказоустойчивости.

Важной проблемой при создании ПБА является оценка их маневренности при сильных течениях, в условиях внутренних волн, особенностей поведения в поверхностном слое во время волнения. Для решения этой проблемы нами используется метод математического гидродинамического

моделирования, позволяющий рассчитывать показатели поля скорости, статического и динамического давления в условиях различного вертикального распределения плотности, различных показателей турбулентности водной среды.

Выводы и предложения. Основные концептуальные положения мониторинга подводной обстановки морской акватории Азово-Черноморского региона могут иметь двойное применение. В настоящее время морские академические и ведомственные институты (УкрНЦЕМ, УкрГМИ, ЧерноморНИИпроект) практически утратили научно-исследовательский флот. В этой ситуации необходимо либо закупать научно-исследовательские суда и соответствующее оборудование, либо использовать предлагаемую нами концепцию мониторинга подводной обстановки акватории Азово-Черноморского региона с использованием ПБА и соответствующей донной и береговой инфраструктуры. Совершенно очевидно, что как в отношении себестоимости мониторинга, так и его качества, что наша концепция представляется более привлекательной. Существующие зарубежные аналоги уже сейчас в автономном режиме проводят измерения течений, температуры, солености, концентрации кислорода, нефтепродуктов, рН, мутности, измеряют

скорость звука и выполняют весь комплекс гидрографических исследований морского дна.

Список литературы:

1. Вюник НУК http://conference.nuos.edu.ua/catalog/lectureDetail7confe rence!d= 2598&lectureId=10422

2. National Data Buoy Center http ://www. ndbc.noaa. gov/

3. National Argo Websites http://www.argo.net/

4. Илларионов, Г. Ю., Подводные роботы в минной войне: Монография / Г. Ю. Илларионов, К. С. Сиденко, В. В. Сидоренков. — Калининград: ОАО «Янтарный сказ», 2008. 325 с.

5. Rice, J.A. Seaweb as a DTN pilot application / J. A. Rice // IETF Meeting, DTNRG session, 2006. р. 3645

6. Roy, T.N. Deployable Autonomous Distributed System: Future Naval Capability in Undersea Warfare / T. N. Roy // SSC San Diego Biennial Review 2003, Vol. 3, Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance.

7. Иванов А. И., Лазутина Н. А., Сахабетдинов И. У. Сетецентрические аспекты группового поведения автономных подводных аппаратов, Труды конференции «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения», Москва, октябрь, 2010 с., 548-551.

8. Submarine cultures perform long-term robotic exploration of unconventional environmental niches http://www.subcultron.eu/project-description/

9. http ://robohub. org/autonomous-underwater-system-for-monitoring-health-of-venice-lagoon-demos-at-expo-2015/

10. Новости высоких технологий, науки и техники http://www.techcult.ru/robots/ 1793-podvodnye-drony-slovno-ryby-obedinyayutsya-v-stai

11. Seaweb is a US Navy developmental technology https://www.ietf.org/ proceedings/65/slides/DTNRG- 14.pdf

12. Ocean Technology, Policy, and Environment https://www.k.u-tokyo.ac.jp/pros-e/person/akira_asada/akira_asada. htm

13. Р. В. Красильников Системы борьбы с необитаемыми аппаратами - асимметричный ответ на угрозы XXI века http://mreadz.com/new/index.php?id=290447

14. Zhang receives multimillion-dollar NSF award for underwater wireless networks

https://engineering.tamu. edu/news/2012/12/21/zha ng-receives-multimillion-dollar-nsf-award-for-underwater-wireless-networks