Способ экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи
METHOD OF ENVIRONMENTAL MONITORING AND PROTECTION OF OIL AND GAS INDUSTRIES

Изобретение относится к геофизике гидрофизике и радиофизике и предназначено для проведения экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи, расположенных на морском шельфе. Технические решения изобретения основаны на закономерностях и измерительных технологиях нелинейной просветной гидроакустики, а их реализация осуществляется с использованием радиогидроакустических средств морского приборостроения. Экологический мониторинг районов нефтегазодобычи совмещается с их охраной, от проникающих на акватории морских животных (например, китов или сивучей), диверсионных сил и средств их движения, а также с оповещением участников освоения обследуемых акваторий о вероятном вступлении в район опасных морских явлении (например, сейсмических, синоптических или волн цунами).
При разработке способа экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи, а также создании реализующих его измерительных систем предполагается учитывать известные процессы и явления, которые могут присутствовать или проявляться на обследуемых акваториях, а именно:
- наличие нефтегазовых скоплений в среде и на ее поверхности, а также их влияние на нелинейные характеристики среды;
- использование в способе и реализующей его измерительной системе известные технологий и средства комплексного многофункционального мониторинга, обеспечивающие контроль: давления, температуры, электропроводности, скорости звука в среде, а также морского течения в местах их установки;
- наличие помех шумового поля морской среды, формируемого работающими техническими средствами, а также ближним морским судоходством;
- возможность использования в способе средств авиации и радиосвязи для управления работой измерительной системы мониторинга и оперативного контроля: состояния морской среды, ее поверхности в обследуемом районе и за его пределами;
- возможность включения и использования в способе и реализующей его системе мониторинга вычислительных технологий информационно-аналитического центра (ИАЦ) для обеспечения оперативного анализа информации о работе системы мониторинга, а также сейсмической и синоптической обстановке на акватории и за ее пределами;
- использование в способе дополнительной информации от внешних источников наблюдения состояния атмосферы и морской среды в пределах обследуемой акватории и за ее пределами, что реализуется спутниковыми системами навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец».
К настоящему времени, практически по всем перечисленным выше позициям, проведены теоретические и экспериментальные исследования, разработаны и реализованы измерительные технологии нелинейной просветной гидроакустики, которые будут использованы в решении задач изобретения. Сущность указанных научно-технических разработок изложена в монографии. (См. Малашенко А.Е., Мироненко М.В., Карачун Л.Э., Халаев Н.Л. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем комплексного мониторинга гидрофизических полей морских акваторий на основе разработок средств морского приборостроения // Г. Владивосток. ФГБУН СКБ САМИ ДВО РАН. ДВФУ, 2012, 264 с.). В предлагаемом изобретении указанные разработки и технические решения будут доработаны, сформулированы практические пути их реализации в способе.
Известен радиогидроакустический комплекс многофункционального контроля экологического состояния морской среды, обеспечивающий определение гидрологических характеристик обследуемой акватории, наличия и измерения количественного содержания в морской среде: углеводородов, сырой нефти и нефтепродуктов, растворенной органики, кислорода, кислотности, хлорофилла, солености или электропроводности, температуры среды, горизонтальной и вертикальной скоростей течений, активной радиации. (См. АВТОНОМНЫЙ ЦИКЛИРУЮЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ МОРСКОЙ СРЕДЫ «Аквазонд». Южно-Сахалинск. ФГБУН СКБ САМИ ДВО РАН, 20010 г). В предлагаемом изобретении измерительный комплекс «Аквазонд» устанавливают в обнаруженных на обследуемой акватории местах скоплений углеводородов и проводят в них многофункциональный экологический мониторинг среды. Комплекс «Аквазонд» обеспечивает измерение количественного содержания в морской среде примесей: углеводородов, сырой нефти и нефтепродуктов, растворенной органики, кислорода, кислотности, хлорофилла, солености, электропроводности и температуры, а также горизонтальной и вертикальной скоростей течений, активной радиации.
Известны «Способы и системы дальнего параметрического приема волн различной физической природы в морской среде»: RU 2453930 С1 от 11.10.2010, RU 2472116 С1 от 15.06.2011, RU 2472236 С1 от 15.06.2011, RU 2474793 С1 от 15.06.2011, RU 2474794 от 15.06.2011, RU 2503977 С1 18.07.2014, RU 2503036 С1 17.07.2014, RU 25.36836 С1 29.10.2014, RU 2536837 С1 29.10.2014, RU 2550588 С1 10.04.2015.
Указанные способы и системы представляют собой частные технические решения совокупности задач предлагаемого изобретения. Дальнейшая разработка этих решений направлена на обоснование практических путей их реализации в системах экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи от проникновения в них морских животных (например, китов, сивучей), диверсионных сил и технических средств их движения, а также проведения многофункционального экологического мониторинга обследуемой акватории.
По своей физической сущности, наиболее близким к заявляемому изобретению является «Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде» RU 2453930 C1 от 11.10.2010 г., сущность которого заключается в следующем.
Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде, включает в себя следующие операции.
Размещение излучающего и приемного блоков измерительной системы на противоположных границах контролируемой среды, облучение среды просветными акустическими сигналами стабильной частоты и формирование между блоками зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн различной физической природы, последующий прием нелинейно преобразованных просветных волн и усиление их в полосе нелинейного преобразования, перенос частотно-временного масштаба сигналов в высокочастотную область и проведение узкополосного спектрального анализа, далее выделение в спектрах параметрических составляющих суммарной и (или) разностной частоты и восстановление по ним, с учетом временного и параметрического преобразования, исходных характеристик информационных волн.
Способ обеспечивает возможность дальнего обнаружения акустически слабозаметных морских объектов и неоднородностей среды путем параметрического приема, формируемых ими информационных волн «малых амплитуд». Кроме того, применение в способе сложных сигналов с частотно-временной или фазовой модуляцией (дополнительный признак) обеспечивает возможность параметрического приема информационных волн «малых амплитуд» и обнаружения акустически слабозаметных объектов, включая объекты с малыми волновыми параметрами, например, морских животных или пловцов-диверсантов. Указанные характеристики способа-прототипа могут быть реализованы для обеспечения охраны районов нефтегазодобычи от проникающих в них биологических и технических объектов - нарушителей границ обследуемой акватории и диверсантов.
Способ является наиболее близким к заявляемому изобретению и, в этой связи, выбран в качестве прототипа, но имеет недостатки, которые будет исключены в предлагаемом изобретении.
Способ-прототип имеет следующие недостатки:
- не реализуется возможность параметрического приема волн, формируемых скоплениями нефтегазовых включений, как нелинейными неоднородностями в среде и на поверхности обследуемой акватории;
- не обеспечивается охрана обследуемой акватории от проникновения в нее морских животных (например, китов и сивучей), диверсионных сил и средств их движения;
- отсутствует возможность проведения многофункционального экологического мониторинга среды, что может быть обеспечено за счет использования в системе мониторинга многофункционального измерительного радиотехнического комплекса «Аквазонд»;
- не обеспечено оповещение участников проведения работ о вероятном вступлении в обследуемый район опасных явлении (преимущественно, сейсмических, синоптических и волн цунами), что может быть устранено за счет введения в измерительную систему радиотехнических систем контроля надводной обстановки с последующей передачей информации по каналам радиосвязи в систему экологического мониторинга и охраны акватории.
Реализация в двух последних пунктах недостатков с использованием радиотехнических средств позволяет считать предлагаемый способ мониторинга и охраны обследуемой акватории как радиогидроакустический.
Теоретические предпосылки о возможности исключения перечисленных недостатков в предлагаемом изобретении обоснованы и изложены в известной работе. (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Василенко А.М., Карачун Л.Э. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании дальневосточной радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы // Монография. г. Владивосток. ФГБУН СКБ САМИ ДВО РАН. ДВФУ, 2014, 404 с.).
Задачей изобретения является разработка измерительных технологий способа обнаружения признаков проявления в среде и на ее поверхности нефтегазовых скоплений, как нелинейных неоднородностей. Проведение многофункционального экологического мониторинга среды, который обеспечивает: измерение и контроль давления, температуры и электропроводности морской среды, скорости звука, морских течений, радиационного фона, а также надежной охраны обследуемой акватории от проникновения нарушителей, например, морских животных и диверсантов, оповещение о возможном вступлении в обследуемый район опасных морских явлении.
Для решения поставленной задачи - способ экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи, включает в себя - размещение излучающего и приемного блоков измерительной системы на противоположных границах контролируемой среды, облучение среды просветными акустическими сигналами стабильной частоты и формирование между блоками системы рабочей зоны взаимодействия просветных и информационных волн, нелинейное взаимодействие и параметрическое преобразование в сформированной зоне просветных и измеряемых информационных волн различной физической природы, прием нелинейно преобразованных просветных волн и усиление в полосе преобразования, перенос их частотно-временного масштаба в высокочастотную область, проведение узкополосного спектрального анализа и выделение в спектрах параметрических составляющих суммарной и (или) разностной частоты и восстановление по ним, с учетом временного и параметрического преобразования, исходных характеристик измеряемых информационных волн, отличается тем, что в заявляемом способе проводят многофункциональный экологический мониторинг обследуемой морской среды, а также охрану ее границ от нарушителей и диверсантов, для этого первоначально в месте установки излучающего блока системы мониторинга размещают, расположенный на судне-носителе блок для проведения многофункционального измерения и контроля экологических характеристик среды, который затем размещают в местах проявления обнаруженных экологических нарушений, для этого контролируемую среду всенаправленно облучают просветными сигналами близкой частоты, а рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн формируют по пространству обследуемой акватории, для этого излучающий блок системы мониторинга размещают в центре акватории, а приемные блоки в количестве 8-и изделий размещают по ее периметру (или кругу) через 45° относительно излучающего центра, при этом в каждый приемный блок системы включают по три гидрофона, которые располагают в углах горизонтальных (предпочтительно, равнобедренных) треугольников, а их вершины в направлении излучающего блока, при этом гидрофоны каждого приемного блока подключают к расположенными на поверхности моря радиогидроакустическим буям (РГБ), а их выходы по каналам радиосвязи через приемные радиоблоки и далее через многоканальный блок переключения приемных каналов соединяют с многоканальным приемным трактом системы мониторинга, при этом в излучающий тракт системы включают генератор сигналов близкой стабильной частоты и генератор сложных сигналов (с частотно-временной или фазовой модуляцией), сигнальные выходы которых соединяют со входом двухканального усилителя мощности, а его выходы с двухканальным блоком согласования выходов усилителя мощности с подводными кабелями и далее с излучающими блоками (акустическими преобразователями), кроме того приемный тракт измерительной системы формируют как многоканальный и многофункциональный, включающий - канал спектрального анализа для выделения сигналов разностной и (или) суммарной частоты, содержащий последовательно соединенные блоки-полосового усилителя, преобразователя временного масштаба сигналов в высокочастотную область, узкополосного анализатора спектров и функционально связанного с ним регистратора, при этом в приемный тракт измерительной системы включают также 8-м каналов корреляционного и взаимно корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов, для этого в каждый из них включают последовательно соединенные блоки-полосовых усилителей, по два параллельно подключенных блока измерения корреляционных функций между сигналами центральных и крайних, расположенных в вершинах треугольников приемных гидрофонов, далее блоки измерения функций их взаимной корреляции, сигналы с их выходов подают на блок вычисления точек пересечения взаимно корреляционных функций (ЭВМ), в которые затем размещают блок многофункционального измерителя экологических характеристик среды, а вычисляемую информацию с его выхода по радиоканалу передают в информационно аналитический центр системы мониторинга (ИАЦ). Кроме того, контролируемую среду облучают просветными акустическими сигналами близкой частоты в диапазоне единиц килогерц. Кроме того, контролируемую среду с заданной периодичностью, дополнительно, по заданной программе, озвучивают сигналами с частотно-временной или фазовой модуляцией в полосе единицы-десятки килогерц. Кроме того, мониторинг и охрану обследуемого района в зависимости от поставленной задачи проводят в заданном, относительно излучающего центра, секторе углов приема просветных сигналов. Кроме того, в систему, реализующую способ экологического мониторинга и контроля включают блок информационно-аналитического центра (ИАЦ), в который поступает текущая информация от спутниковых систем навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец» об экологическом состоянии поверхности обследуемой акватории, а также о сейсмической и синоптической обстановке за ее пределами.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие на то, что «в способе проводят многофункциональный экологический мониторинг обследуемой среды, а также охрану ее границ от нарушителей и диверсантов», обеспечивают формулирование задач и последующих операций реализации способа.
Признаки, указывающие на то, что «первоначально в месте установки излучающего блока системы мониторинга размещают, расположенный на судне-носителе блок многофункционального измерения и контроля экологических характеристик среды, который затем размещают в местах проявления их нарушений», обеспечивают начальные условия для последующей реализации способа.
Признаки, указывающие на то, что «морскую среду всенаправленно облучают акустическими сигналами близкой частоты, а рабочую зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных волн формируют по всему пространству обследуемой акватории», обеспечивают формирование соизмеримой с пространством обследуемой акватории приемной параметрической антенны, которая реализует многофункциональные технологии способа.
Признаки, указывающие на то, что «излучающий блок системы мониторинга размещают в центре акватории, а приемные блоки в количестве 8-и изделий по ее периметру (или кругу) через 45° относительно центра», обеспечивают возможность реализации последующих операций способа экологического мониторинга и охраны района нефтегазодобычи.
Признаки, указывающие на то, что «в каждый приемный блок системы включают по три гидрофона, которые располагают в углах горизонтальных (предпочтительно, равнобедренных) треугольников, а их вершины в сторону излучающего блока», обеспечивают формирование пространственной просветной системы мониторинга, как параметрической антенны
Признаки, указывающие на то, что «одиночные гидрофоны каждого приемного блока подключают к расположенными на поверхности моря радиогидроакустическим буям (РГБ), а сигналы, с их выходов по каналам радиосвязи через многоканальный приемный радиоблок и далее через блок переключения каналов передают в приемный тракт системы мониторинга», обеспечивают возможность проведения последующей корреляционной и взаимно корреляционной обработки принимаемых просветных сигналов для определения мест формирования и проявления на акватории нефтегазовых скоплений, а также мест расположения объектов-нарушителей и направлений на эти места.
Признаки, указывающие на то, что «в излучающий тракт системы, реализующей способ мониторинга и контроля среды, включают генератор сигналов близкой стабильной частоты и генератор сигналов с частотно-временной (или фазовой) модуляцией, выходы которых соединяют с двухканальным усилителем мощности сигналов, далее с двухканальным блоком согласования выходов усилителя мощности с подводными кабелями и далее с излучающими акустическими преобразователями», обеспечивают последующую возможность обнаружения, проникающих на акваторию нарушителей, как объектов с «малыми волновыми параметрами».
Признаки, указывающие на то, что «в приемный тракт измерительной системы включают также 8-м каналов корреляционного и взаимно корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов, для чего в каждый канал включают последовательно соединенные - полосовые усилители, по два параллельных блока измерения корреляционных функций между сигналами центрального и крайних гидрофонов расположенных в вершинах треугольников, далее блоки измерения функций их взаимной корреляции», обеспечивают получение информации для определения мест проявления нефтегазовых скоплений.
Признаки, указывающие на то, что выходы каналов корреляционного и взаимно корреляционного анализа через блок коммутации соединяют с блоком определения точек пересечения сигналов взаимно-корреляционных функций (ЭВМ), в которые затем размещают блок многофункционального измерителя экологических характеристик среды», обеспечивают достижение заключительных операций способа, а именно - определение мест проявления нефтегазовых скоплений, многофункциональное измерение в них экологических характеристик среды, а также определение мест расположения на обследуемой акватории объектов - нарушителей ее границ.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «контролируемую среду облучают акустическими сигналами близкой частоты в диапазоне единиц килогерц», обеспечивает оптимальную для протяженности известных районов нефтегазодобычи акустическую подсветку (накачку) среды, а также обнаружение на ней областей нефтегазовых скоплений, как неоднородностей среды.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «контролируемую среду с заданной периодичностью, озвучивают сигналами с частотно-временной или фазовой модуляцией», обеспечивает надежное обнаружение нарушителей границ акватории, как объектов с «малыми волновыми параметрами», что проводится одновременно с экологическим мониторингом акватории.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «мониторинг и охрану обследуемого района в зависимости от поставленной задачи проводят в заданном, относительно излучающего центра, секторе углов приема просветных сигналов», повышает эффективность способа экологического мониторинга и охраны обследуемого района. Это достигается за счет отключения неиспользуемых в процессе работы линий анализа, что выполняется блоком коммутации линий анализа.
Дополнительный признак, указывающий на то, что «в систему, реализующую способ экологического мониторинга и охраны включают блок информационно-аналитического центра (ИАЦ), который принимает текущую информацию об экологическом состоянии поверхности обследуемой акватории, а также о сейсмической и синоптической обстановке в районе работ и за его пределами, от спутниковых систем навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец». Что расширяет функциональные возможности заявляемого способа экологического мониторинга и охраны района нефтегазодобычи.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами и рисунками. На фиг. 1 приведена структурная схема системы экологического мониторинга и контроля обследуемой акватории. На фиг. 2 представлена схема расположения излучающих и приемных блоков системы по пространству контролируемой акватории. На фиг. 3. Приведена характеристика направленности уровня сигнала разностной частоты, сформированного кильватерным следом морского катера. Излучались просветные сигналы близкой частоты 960 Гц и 1040 Гц. Нелинейной областью кильватерного следа формировались сигналы разностной частоты 80 Гц. Протяженность просветной трассы составляла 25 км. На фиг. 4 приведена спектрограмма просветных сигналов близкой частоты 405 Гц и 407 Гц преобразованных нелинейной областью движущегося морского судна. На спектрограмме наблюдаются первая 2ГЦ параметрическая составляющая разностной частоты и ее гармоники (1 Гц и 3 Гц). Протяженность просветной трассы составляла 40 км. На фиг. 5. приведены спектрограмма и спектр гидродинамических возмущений морской среды, сформированных движущимся подводным пловцом с использованием ЛЧМ сигналов на просветной трассе 0,5 км. Полоса частот ЛЧМ сигнала составляла 10-20 кГц, период (повторяемость) частотной модуляции - 5 Гц. На фиг. 6а-г приведены примеры измерений экологических характеристик морской среды, выполненных с использованием измерительного комплекса «Аквазонд».
Структурная схема системы, реализующей способ экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи, показана на фиг. 1. Измерительная система включает излучающий тракт 1, многоканальный тракт приема, анализа, выделения и регистрации информационных волн 15, входы которого соединены с расположенными по обследуемой акватории приемными блоками системы Пр1-Пр8, каждый из них сформирован из трех, расположенных в горизонтальной плоскости по треугольникам преобразователей (гидрофонов), соединенными с 8-ю радиогидроакустическими буями (РГБ 10.1-РГБ10.8) каждый. Система мониторинга и охраны включает также размещенный в месте обнаруженного нефтегазового скопления 8 измерительный комплекс «Аквазонд» 9.
Тракт формирования и усиления сигналов подсветки среды 1 представляет двухканальную электронную схему, содержащую: генератор сигналов близкой стабилизированной частоты 2 и генератор сложных ЛЧМ (или ФМ) сигналов 3, выходы которых соединены со входами двухканального усилителя мощности 4, далее через двухканальный блок 5 согласования его выходов с подводными кабелями они соединены с излучающими блоками (акустическими преобразователями) 6 и 7 (фиг. 1).
Приемный тракт измерительной системы 15 (фиг. 1), представляет собой многоканальную и многофункциональную электронную схему, включающую многоканальный приемный радиоблок 11, далее блок переключения приемных блоков и их каналов 12. Выходы блока переключения каналов 12 соединены с 8-ю линиями корреляционного анализа 13.1-13.8. При этом, каждая линия корреляционного анализа включает последовательно соединенные широкополосные усилители 13.1.1, далее блоки измерения функций корреляции сигналов со средних и крайних одиночных приемников (гидрофонов) 13.1.2, 13.1.3-13.8.2, 13.8.3), далее выходы блоков измерения функций корреляции сигналов соединены с блоками измерения функции взаимной корреляции 13.1.4-13.8.4, а также с входами блока ЭВМ 16 вычисления направлений на источники экологических проявлений, а по ним последующего определения точек пересечения линий этих направлений, как мест расположения экологических проявлений, (нефтегазовых скоплений) или расположения нарушителей границ охраняемой акватории, выход блока 16 соединен с блоком регистрации измеряемых взаимно корреляционных функций 17, а также с радиоблоком 18 передачи измеряемой информации в информационно-аналитический центр (ИАЙ) 19. Приемный тракт системы мониторинга включает также линию спектрального анализа принимаемых просветных сигналов 14, которая включает последовательно соединенные: широкополосный усилитель 14.1, соединенный через блок переключения каналов 12 и РГБ10.1-РГБ10.8 с преобразователями приемных блоков Пр.1-Пр.8. Широкополосный усилитель линии спектрального анализа 14.1 последовательно соединен с преобразователем временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область 14.2, далее с узкополосным анализатором спектров 14.3, выходы которого соединены с вычислительным блоком 16 (ЭВМ), а также с регистратором спектров выделяемых информационных сигналов 14.4. Информационно-аналитический центр (ИАЦ) 19 системы мониторинга включает связанные между собой - блок системного анализа многоканально измеряемой многофункциональной информации 21, соединенный через приемный радиоблок 20 с приемным трактом системы 15, а через передающий радиоблок 22 соединен с приемным радиоблоком 23 излучающего тракта 1 измерительной системы. Кроме того, на фиг. 1 и 2 представлена обследуемая акватория 24.
Способ реализуется следующим образом. Излучатели подсветки среды 6 и 7 устанавливают в центре, а приемные блоки, Пр. 1-Пр. 8 располагают по периметру или кругу обследуемой акватории.
Важным измерительным признаком в заявляемом изобретении является определение мест расположения источников проявления в среде экологических нарушений, формируемых нефтегазовыми скоплениями и (или) проникающими на акваторию нарушителями ее границ. Эта операция, в свою очередь, осуществляется горизонтально расположенными по треугольнику приемными блоками, Пр. 1-Пр. 8, что осуществляется следующим образом. Просветные сигналы принимают одиночными приемниками (гидрофонами) и через радиоблоки РГБ10.1-РГБ10.8, далее через приемный радиоблок 11 и блок переключения каналов 12, далее через широкополосные усилители 13.1.1-13.8.1 передают на блоки измерения функций корреляции 13.1.2, 13.1.3-13.8.2, 13.8.3 между средними и крайними преобразователями. Далее сигналы поступают на блоки измерения функций взаимной корреляции 13.1.4-13.8.4, которые обеспечивают последующее измерение новых признаков, а именно - направлений на места (источники) проявления нарушений экологического состояния среды, а также мест расположения нарушителей 8, что, в свою очередь, обеспечивается расчетами этих признаков на ЭВМ (блок 16). При этом в местах проявления экологических нарушений среды или нахождения нарушителей размещают многофункциональный измеритель экологических параметров среды «Аквазонд» 9, измеряемые информация с его выхода которого по каналу связи передают на вход блока анализа (ЭВМ) 16. Кроме того, система экологического, мониторинга и охраны акватории посредством ИАЦ 19 включена в общую, сеть освещения морской обстановки, за счет включения в спутниковые системы навигации «ГЛОНАСС» а также связи (ССС) «Гонец», блок 26. Включение системы мониторинга и охраны в космические системы навигации связи обеспечивает возможность формирования сигналов подсветки (накачки) среды с учетом условий распространения волн. Кроме того, это обеспечивает возможность подстройки режимов работы системы, как многофункциональной к многообразию проявления измеряемых информационных волн, а также с учетом вероятных проявлений опасных сейсмических и синоптических явлений в районе работ и за его пределами.
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОЙ СРЕДЫ
Одним из важнейших аспектов исследований процессов происходящих в океане является оценка и прогноз глобального изменения климата на основании результатов наблюдений в рамках экологического мониторинга морской характеристик среды. Основной проблемой выполнения прогнозных оценок состояния морской среды является получение натурных данных.
Внедрение качественно новых технологий и современных технических средств позволяет создать эффективную систему контроля и управления за деятельностью в морских акваториях, разработать эффективные методы оценки пространственно-временной изменчивости, экологических рисков и прогнозов динамики морских экосистем на основе научных разработок и измерительных технологий, выполняемых в СКБ САМИ ДВО РАН.
Кроме того, оборудование акваторий автономными системами, оснащенными различными гидрофизическим, гидроакустическими и сейсмическими датчиками с передачей измеряемой информации на удаленные приемные посты, позволяет создавать на их основе системы охраны морских акваторий, фиксировать районы техногенного вмешательства в среду, а также создать систему предупреждения о цунами.
Примером таких систем является разработанная в СКБ САМИ ДВО РАН автоматическая станция «Аквацикл». Конструктивно она представляет герметичный контейнер с установленными на нем датчиками регистрации различных гидрофизических полей, способный перемещаться в слое морской воды по заданной программе, обеспечивая непрерывную регистрацию вертикальных распределений (профилей) параметров среды, что позволяет оценивать как дифференциальные, так и интегральные характеристики этих распределений. Наряду с этим «Аквазонд» может останавливаться - «зависать» на нужное время, чтобы произвести измерения на заданных горизонтах.
Передача результатов измерений осуществляется по УКВ-модему или спутниковому радиомодему в случае отсутствия прямой видимости между точкой постановки станции и пунктом управления. Станция передает формуляры на FTP-сервер, откуда они могут быть взяты пользователем.
В таблице приведен перечень некоторых типов датчиков и регистрируемые с их помощью параметры водной среды.
Характеристики системы «Аквазонд» по контролю параметров среды
НАВИГАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА
Рассматриваются история создания , а также автоматизированной системы сбора и передачи информации о гидрофизических полях среды и объектов из морской среды в атмосферу и обратно на основе разработок системы спутниковой связи «Гонец», обосновывается практическая возможность совместного применения их технологий в системе экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи.
История зарождения и развития системы. Российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации - китайская система спутниковой навигации Бэйдоу на данный момент функционирует в ее составе как региональная подсистема. Система ГЛОНАСС обеспечивает оперативное навигационно-временное обеспечение неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования.
Доступ к гражданским сигналам «ГЛОНАСС» в любой точке земного шара и предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений. Основой системы  являются 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном плоскостей 64,8° и высотой 19400 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники «ГЛОНАСС» в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им повышенную стабильность. Таким образом, группировка КА «ГЛОНАСС» не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Развитие и становление навигационно-информационных системы основывается на разработках спутников системы «ГЛОНАСС» первого и второго поколений (см. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова. В.Н. Харисова. - 3-е изд. - М.: Радиотехника, 2005. - 688 с. - 1000 экз. - ISBN 5-93108-076-7).
Официально начало работ по созданию ГЛОНАСС было положено в декабре 1976 года специальным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Данный проект являлся продолжением развития отечественной навигационной спутниковой системы, начатой программой «Циклон». В 1989 году вместе с двумя спутниками «Ураган» на орбиту выводились пассивные геодезические аппараты «Эталон», которые использовались для уточнения влияния гравитационного поля Земли на орбиты КА «Ураган». Всего с октября 1982 г. по декабрь 1998 г. на орбиту были выведены 74 КА «Ураган» и 8 массогабаритных макетов. В период развертывания системы 6 «Ураганов» оказались утерянными из-за отказов разгонного блока 11С861. Согласно оценкам, проведенным в 1997 году, на развертывание ГЛОНАСС было потрачено около 2,5 млрд. долларов.
В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков РН и вывести на орбиту 18 спутников. Таким образом, к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата. В 2007 году проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, вследствие чего увеличилась точность определения координат. Bo 2-й фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления устанавливается новая измерительная система с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 года увеличится точность расчета эфемерид и ухода бортовых часов, что приведет к повышению точности навигационных определений.
В конце марта 2008 года совет главных конструкторов по российской глобальной навигационной спутниковой системе, заседавший в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения, несколько скорректировал сроки развертывания космического сегмента ГЛОНАСС. Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже к 31 декабря 2007 года; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, некоторые из которых успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли шесть аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 года включала лишь шестнадцать работающих спутников. 25 декабря 2008 года количество было доведено до 18 спутников.
Обеспечение задач навигации. Спутники «ГЛОНАСС» находятся на средневысотной круговой орбите, на высоте 19400 км с наклонением 64,8° и периодом 11 часов 15 минут. Такая орбита оптимальна для использования в высоких широтах (северных и южных полярных регионах), где сигнал GPS ловится плохо. Спутниковая группировка развернута в трех орбитальных плоскостях, с 8 равномерно распределенными спутниками в каждой. Для обеспечения глобального покрытия необходимы 24 спутника, в то время как для покрытия территории России необходимы 18 спутников. Сигналы передаются с направленностью 38° с использованием правой круговой поляризации, мощностью 316-500 Вт (EIRP 25-27 DBW). Для определения координат приемник должен принимать сигнал как минимум четырех спутников и вычислить расстояния до них. При использовании трех спутников определение координат затруднено из-за ошибок, вызванных неточностью часов приемника. Спутниковая система «ГЛОНАСС», как навигационная, способна обеспечивать измерение, формирование и передачу по каналам связи в ИАЦ измерительной системы информационные данные о морской поверхности и атмосфере, необходимые для реализации способа мониторинга и охраны района нефтегазодобычи.
СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ О ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЯХ СРЕДЫ И ОБЪЕКТОВ ИЗ МОРСКОЙ СРЕДЫ В АТМОСФЕРУ И ОБРАТНО НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТОК СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ (ССС) «ГОНЕЦ»
Автоматизированный сбор информации с необслуживаемых модулей и систем является одной из составных задач, решаемых низкоорбитальной спутниковой системой связи "Гонец". Практически единственной системой, прошедшей все стадии разработки, включая НИР и ОКР и находящейся на стадии развертывания, является низкоорбитальная система спутниковой связи "Гонец", которая разрабатывалась, создавалась и прошла испытание и внедрение в практику исследований и освоения морских просторов и их запасов в СКБ САМИ ДВО РАН. (См. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Василенко А.М. и др. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании Дальневосточной радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы. Владивосток. СКБ САМИ ДВО РАН. Изд. дом ДВФУ, 2014, с. 294-333).
Разработка системы спутниковой связи "Гонец" осуществлялась в соответствии с Федеральной космической программой России на период до 2000 года. Услуги и области использования системы "Гонец" ориентированы, в основном, на региональное обслуживание, то есть основной объем трафика составляют сообщения внутри регионального маршрута. Протяженность региона (зона контроля одного спутника) не превышает 4000 км. Связью в регионе управляет региональная станция. В одном регионе может располагаться одна или несколько региональных станций, которые обслуживают свои ведомственные сети. Региональная станция рассчитывает зоны уверенного обслуживания терминалов своего региона каждым спутником системы и заказывает в центральную региональную станцию (ЦРС) необходимый ресурс. ЦРС распределяет между региональными станциями общий ресурс системы и составляет расписание их работы. Региональная станция в выделенное для ее работы время организовывает групповой сеанс связи. При этом становится возможной оперативная связь между абонентами региона.
Она может также организовать обслуживание определенных групп абонентов, например сбор информации с систем датчиков, например, сбор информации о местоположении транспортных средств. По принципу региональной связи может быть организована связь между морскими судами, при этом региональная станция этой сети размещается на берегу или на одном из судов. Через региональную станцию может быть установлена связь с абонентами сетей общего пользования.
Терминалы, выходящие за пределы зоны действия региональных станций, обслуживаются в персональном режиме. Возможность размещения таких терминалов в регионе определяется ЦРС в зависимости от уже заявленного трафика средств системы данного региона. С точки зрения организации связи к основным особенностям системы "Гонец", определяющим ее технические и тактические возможности, можно отнести следующее:
- спутниковые каналы различных КА разделены по частоте;
- на каждом спутнике 91 канал доступа работает с разделением во времени, 16 первых из этих каналов разделены по частоте на одном спутнике, но одинаковы для всех спутников системы;
- работа по каналам «вверх» и «вниз» с данным КА осуществляется на частотах, которые индицируются в МС, если другой режим работы специально не оговорен для конкретного терминала. Номера частот в МС могут быть изменены по командам ЦУС и РС;
- на каждом КА организовано 128 запоминающих устройств, к каждому из которых обеспечен автономный доступ для записи и воспроизведения информации. Объем каждого ЗУ - 98304 бит;
- наличие информации в любом из ЗУ индицируется в специально сформированном адресном слове.
ПЕРСОНАЛЬНЫЙ И ГРУППОВОЙ РЕЖИМЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ
В зависимости от вида обслуживания, предусмотренного в системе "Гонец", терминал работает с КА в одном из режимов: персональном, групповом или смешанном. В режиме персонального обслуживания сеанс связи с КА организуется терминалом, специальное программное обеспечение (ПО) которого настроено на персональный режим, при наличии в маркерном сигнале признака персонального обслуживания. Выполняемые в сеансе работы определяются планом сеанса. План типового сеанса определяет и может изменяться при вводе терминала в систему.
Сеанс связи в персональном режиме организуется терминалом при выполнении следующих условий:
- наличие у терминала информации для передачи абоненту, занесенному в таблицу адресации, и (или) наличию в запоминающем устройстве (ЗУ), номер которого задан, как номер рабочего ЗУ терминала, информации;
- отсутствие действующих ограничений на доступ к данному КА;
- отсутствие ограничений на проведение операций съема информации при отсутствии необходимости закладки информации (например, после уже проведенного достоверного съема информации данного ЗУ в предыдущем сеансе);
- невыход на связь с КА других абонентов системы перед данным терминалом определяется отсутствием приема квитанции на РК «Включение сеанса» до выдачи терминалом РК «Включение сеанса».
В режиме группового обслуживания сеанс связи с КА организуется региональной станцией. Терминалы, ПО которых настроено на групповой режим обслуживания, работают по жесткой программе, определенной при вводе терминала в систему. В одном минутном интервале с КА могут работать на передачу до 7 терминалов при объеме передаваемых сообщений до 786 байт и 33 терминала при объеме передаваемых сообщений до 26 байт.
Передача аварийных и экстренных сообщений. Система «Гонец» обеспечивает приоритетное представление каналов связи для передачи аварийных и экстренных сообщений в условиях возникновения на обслуживаемой территории чрезвычайной ситуации. Предоставление этой услуги конкретному пользователю определяет программное обеспечение при вводе терминала в систему.
Передача экстренных сообщений в МСПСС «Гонец» при персональном режиме обслуживания организуется настройкой ПО АТ с предоставлением абонентскому терминалу канального интервала с наибольшим приоритетом доступа к КА (время выдачи РК «Включение сеанса» на минутном интервале). Настройка работы программного обеспечения определяет размер стандартного пакета для передачи экстренного сообщения и один из шести адресов получателя, указанных в таблице адресации.
Передача координат местоположения. Информация местоположения вырабатываются автоматически программно-аппаратными средствами терминала при наличии в нем приемного устройства ОР8 и настройке программного обеспечения. Настройки программного обеспечения позволяют использовать информацию местоположения двумя способами:
- непосредственным формированием из информации местоположения пакетов и отправлением их по радиоканалу (непосредственное использование информации местоположения);
- передачей информации о местоположении объекта в виде специального сообщения во внешний вычислительный комплекс, что позволяет провести дополнительную обработку этой информации и передавать ее в обработанном виде терминалу по радиоканалу (внешнее использование информации о местоположении).
При непосредственном использовании информации о местоположении приоритет сообщений, методы обработки информации и период опроса информации местоположения задаются настройкой программного обеспечения.
С учетом потребления и отдачи энергии бортовой системы электропитания выходная мощность бортового передатчика, приведенная к входу антенны, не может превышать 10 Вт, аналогичная мощность может быть в абонентской станции АТ. Бортовая и наземная антенны должны на максимальной дальности иметь максимальное усиление, а при минимальной дальности - минимальное, с тем, чтобы скомпенсировать потери на распространение и обеспечить примерно постоянный уровень принимаемого сигнала с КА в зоне действия абонентской станции. Таким образом, разработанные и созданные в России, спутниковая система навигации «ГЛОНАСС», а также автоматизированная система сбора и передачи информации о гидрофизических полях среды и объектов из морской среды в атмосферу и обратно (спутниковая система связи «Гонец»), могут быть совместно использованы в системе многофункционального экологического мониторинга и охраны районов нефтегазодобычи. Применение технологий этих систем существенно расширяет возможности (например, связи и информационный обмен со станциями в пределах региона), а также многофункциональность работ экологического мониторинга и охраны обследуемых районов.