Перспективы развития системы мониторинга и разведки чрезвычайных ситуаций

Научно-технические разработки

Федеральный центр науки и высоких технологий «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций»

УДК 614.8

Резников В. М., к.т.н., Запорожец С.А.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И РАЗВЕДКИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

В статье рассматриваются проблемы и перспективы развития структуры информационной системы, как подсистемы общей системы обеспечения безопасности населения и территории Российской Федерации и снижения рисков чрезвычайных ситуаций

С.А. Запорожец

Многообразие решаемых задач, сложность используемых в СБЧС технических средств, жесткие требования по оперативности реагирования, существенное влияние на работу ее функциональных элементов случайных воздействий и человеческого фактора определяют СБЧС как «сложную систему» — понятие, принятое в теории управления.

Сложные системы характеризуются наличием основных функциональных подсистем: информационной, управляющей, исполнительной (может быть выделена, также, система связи, пронизывающая все три основные). Структура всех функциональных элементов в соответствии со спецификой и масштабом решаемых на каждом уровне задач должна быть многоуровневой. Предлагается рассмотреть систему мониторинга и разведки чрезвычайных ситуаций (СМЧС) в качестве информационной подсистемы СБЧС.

Задачей СМЧС является оперативное обнаружение ЧС, определение их масштабов и контроль динамики развития ситуации. В соответствии с используемым оборудованием и масштабами решаемых задач СМЧС разделяется на три звена: космический мониторинг территорий, воздушный мониторинг и наземная разведка ЧС. Каждое из этих звеньев имеет свои возможности и ограничения, определяемые характеристиками используемых средств. С точки зрения оптимизации затрат на эксплуатацию средств мониторинга представляется целесообразным следующее разделение ответственности (соответственно уровня в структуре управления):

- федеральный и региональный масштаб — космическое звено;

- территории субъектов Федерации — воздушное;

- мониторинг потенциально опасных объектов — задача наземного звена.

Последнее чрезвычайно специфично по структуре и разнообразию

используемых средств и в настоящей статье не рассматриваются.

1. Космический мониторинг территорий

1.1. Краткий обзор основных систем дистанционного зондирования Земли средствами космического базирования

Космические системы ДЗЗ, использующие спутники на низких околоземных орбитах (НОО) и их орбитальные группировки могут быть условно разделены на две основные группы: метеорологические системы и системы КДЗЗ, оснащенные оптической аппаратурой с высоким пространственным разрешением.

Космические метеорологические системы, такие как NOAA, Метеор, отличаются невысоким пространственным разрешением, и как следствие этого, применяются для решения ограниченного круга задач. В то же время ряд таких систем, например NOAA, имеют широкую наземную сеть приемных станций (до 10 000), что обусловило возможность их широкого использования. Так, в системе космического мониторинга МЧС России (СКМ ЧС) имеется пять стационарных пунктов, принимающих информацию от NOAA.

В природо-ресурсном мониторинге Земли используются два направления.

Детальное природо-ресурсное наблюдение Земли представлено постоянно совершенствующимися КА Landsat (США) и Spot (Франция), обеспечивающими пространственное разрешение 5-15 м, и серией новых КА типа Ikonos (США), Helios (Франция) и в ближайшей перспективе ряда других КА сверхдетального (0,8-2 м) разрешения. Эти комплексы характерезуются высоким уровнем разрешения и низ-

кой оперативностью съемки заданных райнов.

Мониторинговое (обзорное) природо-ресурс -ное наблюдение Земли представлено российским КА “Ресурс-0”, КА США EOS (Terra и Aqua), КА Индии и Китая, обеспечивающими пространственное разрешение 150-500 м.

Эти комплексы характеризуются широкими полосами захвата, обеспечением глобального мониторинга поверхности Земли с достаточно высоким уровнем повторяемости (2-4 суток) и возможностью массового доступа потребителей. В соответствии с международными соглашениями доступ к данным ДЗЗ этих космических систем регулируется политикой «открытого неба» (Open Sky Policy). Понятно, что, эти системы не могут быть коммерческими.

Таким образом, построение существующих систем КДЗЗ обладает, следующими основными недостатками: высокой стоимостью КА;

малым количеством КА в системе и, как следствие, низкой периодичностью наблюдений конкретных районов;

сверхцентрализацией доступа к данным КА ДЗЗ; фрагментарностью производимой съемки поверхности Земли;

невозможностью оперативной съемки выбранных участков поверхности Земли.

1.2. Время наблюдения КА

Время наблюдения (нахождения КА в пределах прямой видимости с наземной станции наблюдения) при орбите близкой меридиональной определяется из соотношения:

дг = М,

СО

где: Ду — разность долготы станции и орбиты КА;

ар а2 — углы укрытия, соответственно в направлении на начало и конец видимого участка траектории КА;

ю — угловая скорость КА на орбите (для большинства КА НОО период обращения близок 1,5 часам).

Следует, также, иметь в виду, что при нулевых углах укрытия редко удается наблюдать КА на углах меньших 100 , т. е. а1, а2 > 100.

В табл. 1 представлены соотношения координат границ гарантированной зоны видимости КА для средних широт ф0 = 550 для Московского АПК). Зоны находящихся на близких широтах Вологодского и Красноярского АПК имеют примерно такой же характер. Зона Владивостокского АПК резко сузится по долготе, а для Вологодского АПК, наоборот, — несколько расширится.

Соотношения рассчитаны для двух высот орбит: 700 км (средняя высота НОО) и 300 км, соответствующей высоте планируемого к запуску отечественного КА Ресурс-ДК.

Зоны построены в координатах широты и долготы для удобства анализа, т.к. траектории КА отстоят на равных расстояниях по долготе.

Соотношения рассчитаны по формуле:

А/ =

arccos

Таблица 1

Соотношение координат границ гарантированной зоны видимости КА

h=300 км h=700 км

Др, град Ду, град ДР, град Ду, град

8 12,б 1б 18,O

б 1б,3 12 43,5

4 17,7 8 37,4

2 17,7 4 33,0

O 17,2 O 29,б

-2 1б,2 -4 27,1

-4 15,4 -8 24,9

-б 15,2 -12 23,2

-8 14,б -1б б,1

где: с — угловое расстояние до границы зоны (максимальное расстояние по долготе).

Для h = 300 км, с и 100 ; для h = 700 км, с и 170.

В табл. 2 приведены требования к информации КА ДЗЗ для решения мониторинговых задач, в табл. 3 — возможности получения информации от КА, находящихся на орбитах, а в табл. 4 — основные характеристики КА. Сравнение данных таблиц делает очевидным нестыковку требований и возможностей КА ДЗЗ, усугубляющуюся необходимостью ориентации на зарубежные КА.

Доведение качества и оперативности получения космической информации до уровня, приемлемого для мониторинга природных ЧС можно с помощью совершенствования технического и программнометодического оснащения пунктов приема космической информации. Однако необходимая оперативность мониторинга компактных объектов может быть достигнута только существенным увеличением количества КА, снабженных аппаратурой ДЗЗ высокого и детального разрешения и расширением сети приемных станций.

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Таблица 2

Требования к информации для решения приоритетных задач мониторинга

/п ^ в Приоритетные проблемы, задачи Тредования к информации

Периодичность обновления Оперативность обновления Разрешение

Пространс- твенное Спектратьное Радиометричес- кое

1 2 3 4 5 6 7

1 Определение: пожаров 24 ч 0,25-2 ч 10-20 м 5-40 м % % ,5 ,2 О О о° с°

разрушений 24 ч 0,25-2 ч 10 м 5-40 нм/15-30 нм 0,1-0,5 %/ 0,1-0,2 К 0,З-0,5 дБ СВЧ

затоплений 12 ч 0,25-1 ч 30-100м 5-40 нм 0,1-0,5 % 0,3-0,5 дб СВЧ

2 Оценка степени разрушения при авариях и катастрофах 3-6 ч 1-3 ч 1-2 м 5-40 нм 0,1-0,5 %

3 Определение места падения летательного аппарата при авиационных катастрофах 3-6 ч 1-2 ч 1-2 м 5-40 нм 0,1-0,5 %

4 Определение степени тяжести происшествия и количества транспортных средств, участвовавших в авариях 6-12 ч 1-3 ч 10-20 м вид. ИК,СВЧ 2-6 нм вид. 15-30 ИК 0,1-0,5 % вид. 0,1-0,2 К ИК 0,З-0,5 дБ СВЧ

5 Определение размеров зоны аварий на магистральных трубопроводах 6-12 ч 1-3 ч 1-2 м/2-10 м 5-40 нм/15-З0нм 0,1-0,5 %/ 0,1-0,2 К

6 Выявление залповых сбросов сточных вод в водоемы при авариях коммунальных систем 1-3 мес 3-5 сут. 1-5 м/5-10 м 3-10 м СВЧ 10-20 нм 0,1-0,5 %

7 Контроль состояния трубопроводов 1-5 ч 0,5-1 ч 1-2 м/5-10 м 2-10 м СВЧ 2-6 нм/20-40 нм 0,1-0,5 %/ 0,1-0,2 К 0,З-0,5 дБ СВЧ

8 Контроль нефтяных и других загрязнений морей и внутренних водоемов 12 ч 0,5 ч 5-100 м 0,01-0,02 мкм 0,1-0,5 %/ 0,1-0,2 К 1-2 дБ СВЧ

Таким образом, основной проблемой космического мониторинга являются ножницы между пространственным и временным разрешением. Очевидно, что чем более высокое пространственное разрешение имеют космические изображения, тем менее оперативно они поступают к потребителю.

Открытый доступ имеется только к обзорной космической информации низкого разрешения — до 250 м информацию высокого разрешения необходимо заказывать заранее и дорого платить за нее, даже если она поступает с отечественных КА.

Аппаратно-приемные комплексы системы космического мониторинга МЧС России допускают принципиальную возможность получения данных ДЗЗ от зарубежных КА IRS, а также от любых отечественных КА, передающих данные ДЗЗ на частоте 8,2 — 8,4 ГГц.

2. Воздушный мониторинг

Воздушное наблюдение может осуществляться с помощью любого воздушного аппарата: самолета, вертолета, дирижабля, воздушного шара. При этом каких-либо серьезных проблем с качеством (в т.ч. разрешением) снимков и с оперативностью их получения не возникает. Проблема лишь в оптимизации стоимости мониторинга снимка одного км2 наблюдаемой территории.

Совершенно очевидно, что постоянное наблюдение значительных территорий целесообразно осуществлять со стратосферных воздушных шаров или дирижаблей. Пилотируемая авиация для данной задачи неприемлема как по техническим, так и по ресурсным ограничениям.

Воздушные шары на порядки дешевле дирижаблей, но они являются средствами одноразовыми и могут осуществлять мониторинг только вдоль пути своего дрейфа из-за воздушных течений.

По сравнению с авиационными ЛА дирижабли имеют следующие преимущества:

• высокий коэффициент грузоподъемности, дальности и продолжительности полета;

• возможность вертикального взлета и посадки;

• возможность длительного зависания;

• безопасность при отказе силовой установки или системы управления;

• малый расход топлива;

• незначительное воздействие на окружающую среду;

• низкая стоимость эксплуатации (в 3 — 8 раз ниже чем вертолета).

Основные характеристики современных дирижаблей иллюстрируются табл. 5.

Таблица 3

Возможности получения космической информации для обнаружения чрезвычайных ситуаций

и контроля их развития

Наименование задачи Степень оперативности наблюдений Космические аппараты

1.Обнаружение природных пожаров Оперативные, до 1 суток NOAA,

2. Обнаружение ледяных заторов, зажоров Оперативные, до 1 суток NOAA

3. Обнаружение затоплений Оперативные, до 1 суток NOAA (AVHRR) TERRA (MODIS) ERS

4. Обнаружение схода селевых потоков Оперативные, до 1 суток IRS, SPOT, LANDSAT ICONOS, Pесурс-О

5. Контроль состояния лесных массивов Полуоперативные, до 1 месяца IRS, SPOT, SPOT, LANDSAT, ICONOS Pесурс-О

б.Определение вымерзания озимых посевов Полуоперативные, до 10 дней То же

7. Контроль территорий, подвергшихся засухе Полуоперативные, до 10 дней То же

8. Определение степени загрязнения поверхностных вод суши и атмосферы Полуоперативные, до 10 дней То же

9. Контроль затопленных территорий Полуоперативные, до 10 дней То же

10. Выявление распределения снежного и ледового покровов на равнинах и в горах Полуоперативные, 2-3 дня TERRA, Pесурс-0

11. Мониторинг горных ледников Полуоперативные, 2-3 дня IRS, SPOT, LANDSAT, ICONOS, Pесурс-О

12. Обнаружение активной деятельности вулканов Оперативные, до 1 суток NOAA, TERRA

13. Обнаружение песчаных и пылевых бурь, контроль их последствий Оперативные, до 1 суток NOAA, TERRA

14.Контроль роста овражно-балочной сети, мониторинг плоскостной и ветровой эрозии Неоперативные, более 1 месяца То же

15. Выявление и контроль оползней Неоперативные, более 1 месяца То же

16. Контроль опустынивания территорий (интенсивная деградация почв) Неоперативные, более 1 месяца IRS, SPOT, LANDSAT, ICONOS, TERRA, Pесурс-0

17. Контроль интенсивного заболачивания территории Неоперативные, более 1 месяца IRS, SPOT, LANDSAT, Pесурс-О

Таблица 4

Основные характеристики отечественных и зарубежных космических аппаратов (КА), использование которых

возможно в целях мониторинга ЧС

КА, (Страна) Высота орбиты, км Период обращения, мин Ширина полосы обзора, км Разрешение, м

Pесурс-Метеор Россия) 600-800 98,5 45-600 250

NOAA (США) 833 101,3 2200 1,1

EOS-A1 (США) 705 98,5 2000 250

EOS-A1 (США) 705 98,5 185 30

Spot-5(Франция) 820 101,1 180-2200 20

IRS P4 (Индия) 800 101,6 80-770 5,8; 23; 188

Различия в высоте больших российского и английского дирижаблей обусловлены только их назначением: отечественный — грузовик, а английский — разведчик. Нет оснований сомневаться в том, что при снижении веса нагрузки ДЦ-Н1 сможет подниматься на те же стратосферные высоты.

Высотные (стратосферные) дирижабли могут противостоять воздушным потокам и находиться в одном районе время, ограниченное только запасом топлива, что при их грузоподъемности достаточно для оперативного мониторинга территории почти любого субъекта РФ, или существенной части этой территории.

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Таблица 5

Основные характеристики типовых дирижаблей

Тип Аи-12 Mmtseeker DERA ДЦ-Н1 StratSat

Фирма РосАэроСистемы ІЬє Lightship Group РосАэроСистемы AGT

Страна Россия Великобритания Россия Великобритания

Длина, м 34 39 258 200

Диаметр, м 8,5 9 54 48

Крейсерская скорость, км/ч 80 - 120 -

Максимальная скорость, км/ч 100 83 - 190

Дальность полета, м 350 330 5000 -

Рабочая высота, м 10-1000 до 1500 до 3000 20000

Коммерческая нагрузка, кг 200 230 18000 1000

При этом по сравнению обзорными (природно-ресурсными) КА с помощью такой же аппаратуры наблюдения можно получать снимки среднего (25 — 30 м) при зоне обзора до 50 км практически непрерывно.

Весьма перспективной представляется возможность использования разрабатываемого в Таганрогском государственном радиотехническом университете (лабораторией НИРС «Робототехника и интеллектуальные системы» под руководством В. Х. Пшихопова) автономного мобильного робота «Стерх» на базе мини-дирижабля (АМД МД). Высокая мобильность доставки робота на место разведки определяет его место на субъектовом уровне для разведки ЧС и управления процессом ее ликвидации.

Важным направлением в разработке средств мониторинга и разведки является создание сверхлегких дистанционно пилотируемых, с программным управлением (корректируемым оператором по факту) самолетов и вертолетов. Комплексы разведки, оснащенные такими аппаратами, благодаря малому весу, не превышаю-

щему 10 кг, отсутствию инфраструктуры обслуживания и эксплуатации, стоимости, сравнимой со стоимостью легкового автомобиля вполне могут войти в состав оснащения аварийно-спасательных подразделений.

Дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) целесообразно использовать для непосредственной информационной поддержки ведения работ по локализации ЧС и ликвидации (смягчения) их последствий. При этом основное предназначение самолетных ДПЛА — разведка территории вокруг ЧС и путей подхода аварийно-спасательной техники на расстоянии до нескольких километров, место вертолетных ДПЛА — непосредственно над ЧС для контроля и управления аварийно-спасательными работами.

Предлагается структурная схема информационной системы мониторинга ЧС, как функционального элемента СБЧС с обозначением управляющих структур каждой составляющей и перечнем основных решаемых задач (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема информационной системы мониторинга ЧС