Технологии использования цифровых аэромобильных киберфизических платформ в Арктике

Введение

Арктическая зона Российской Федерации (АЗ РФ) является особым регионом России, обладает многими существенными факторами, определяющими его значимость для экономики и обороноспособности страны. Это природные ресурсы, инфраструктурный потенциал, условия для обеспечения национальной безопасности [1]. В этом районе сосредоточены значительные месторождения углеводородов (природный газ, нефть, уголь) и других полезных ископаемых [1]. По акваториям АЗ РФ Северного морского пути (СМП) осуществляются интенсивные морские перевозки сжиженного природного газа, нефти, других материалов и грузов. В акваториях АЗ РФ ведутся активные изыскания, научные исследования, прокладываются кабели и трубопроводы, бурятся скважины, решаются вопросы, связанные с обороной страны. В силу стратегической важности региона в акваториях СМП ведется интенсивное строительство новых терминалов, портов и других хозяйственных сооружений.

Все это требует усилий по обеспечению акватории Арктики и зон хозяйственной активности системами связи, навигации и освещения [2]. В связи со слабой оборудованностью АЗ РФ в качестве перспективных киберфизических решений рассматриваются системы беспилотных аэромобильных комплексов с высокой сенсорной способностью [3].

Территориальная активность в АЗ РФ затрудняется [1–3] как общими природно-социальными факторами арктической геосреды (ионизация атмосферы, низкие температуры, сильные ветры, недостаточная инсоляция, тяжелые подвижные льды, удаленность от промышленных центров, неразвитость инфраструктуры, демографические ограничения, высокая стоимость ресурсов и услуг, длительность восстановления нарушенных экосистем), так и специфическими негативными территориальными факторами (мелководность акватории, большая изменчивость рельефа дна из-за интенсивных выносов речного грунта, узость Морского канала, недостаточное навигационно-гидрографическое и гидрометеорологическое обеспечение, высокий уровень загрязнения акватории и прибрежной зоны).

Результаты

Результаты многолетних исследований обобщены в форме таблицы. В таблице 1 приведены проблемные вопросы арктической территориальной активности, вытекающие из особенностей географии региона.

Анализ таблицы показывает, что перспективный в экономическом отношении регион требует определенных мер киберфизической поддержки различных видов деятельности в Арктике. К таким видам киберфизического обеспечения относятся следующие цифровые технологии [1–5]:

• комплексное освещение обстановки в акваториях СМП;
• поддержание связи и телекоммуникации в регионе;
• навигационно-гидрографическое и гидрометеорологическое обеспечение (поддержка) судоходства и других видов деятельности в Арктике;
• оперативное вскрытие ледовой обстановки в ближней зоне ледокола (судна);
• оперативные ледовые прогнозы, планирование переходов и проводок в подвижных ледовых полях.

Формально эти требования формулируются следующим образом (рис. 1). Система (пространство) арктической территориальной активности (AASp) будет наблюдаемой, управляемой и безопасной (т.е. будет иметь кибертехнические предпосылки для функционирования и решения возложенных задач) тогда и только тогда, когда:

1. Не являются пустыми множествами соответствующие пространства связи и телекоммуникации (CSp), навигации (навигационной безопасности) (NSp) и ситуационного мониторинга (MSp).
2. Не является пустым множеством пересечение пространств CSp, NSp, и MSp. То есть пространство AASp киберспособно (наблюдаемо, управляемо, безопасно) ⇔

⇔ CSp ≠ ∅, NSp ≠ ∅, MSp ≠ ∅,
CSp ⋂ NSp ⋂ MSp ≠ ∅. (1)

В работах [4][5][8] показано, что исходя из сложности (точнее сказать, тяжести) физико-географических и социально-географических условий АЗ РФ для удовлетворения требований системы уравнений (1) к киберфизическому подпространству АЗ РФ:

1) в слабооборудованных и удаленных акваториях и районах могут быть использованы беспилотные аэромобильные киберфизические платформы (беспилотники) с размещенными на них геосенсорами (датчиками дистанционного зондирования Земли и системами наблюдения, средствами связи, навигационными приборами);

2) эти аэромобильные киберфизические платформы должны быть в максимальной степени роботизированы для обеспечения их процедурной автономности при решении задач обеспечения арктической территориальной активности (АТА).

Следует ли считать эти рекомендации умозрительными заключениями, или в настоящее время уже существуют образцы аэромобильных киберплатформ, которые уже сейчас могут функционировать в сложных условиях АЗ РФ и удовлетворять (в той или иной степени) требованиям системы (1)?

Анализ многочисленных разнообразных образцов отечественной и зарубежной беспилотной воздушной техники [6–8] показывает:

а) в принципе такая техника (авионика и геосенсоры) существует, но...

б) это в основном импортные воздушные агрегаты или отечественная техника с большим процентным составом зарубежного оборудования;

в) заявляемые пределы полетов по силе ветра 16–17 м/с в действительности оказываются гораздо меньше: 9–10 м/с.

Как исключение из правил можно отметить, что в настоящее время все же существуют отдельные образцы удовлетворительной беспилотной техники. Например, отечественный беспилотник в исполнении «по-самолетному» и «самолет вертикального взлета и посадки» с пределом ветровой нагрузки до 25 м/с. Это самолеты АО «НЦ ПЭ» «Археон» и «Археон-ВВП» (рис. 2–4).

Тактико-технические характеристики этих беспилотников (табл. 2, 3, рис. 4) показывают, что данные аппараты содержат в себе значительный потенциал для формирования требуемого киберфизического подпространства (области) Арктической зоны.

Беспилотник штатно несет отечественную РЛС — трехдиапазонный радиолокатор с синтезируемой апертурой (РСА), характеристики которого приведены в таблице 4.

На рисунке 5 приведен базовый состав сенсоров и оборудования аэромобильной киберфизической платформы.

Возможности и свойства указанных БПЛА апробированы и позволяют применять их в качестве роботизированных киберплатформ в следующих территориальных технологиях и тактических эпизодах:

А. Лоцманская проводка (лидирование) судна организацией аэромобильного створа группой глиссад-коптеров (рис. 6). Стая коптеров осуществляет круговое циклическое барражирование впереди судна, организует перемещающийся по проложенному маршруту аэромобильный оптический створ. Сами коптеры координируются береговым центром управления или лоцманом с борта судна.

Б. Дублирование средств навигационного оборудования (СНО) — временная замена собой вышедших из строя плавучих и стационарных средств навигационного оборудования (буи, бакены, створные знаки, огни, маяки). Коптеры — дублеры СНО оперативно прибывают в район расположения СНО, осуществляют внешний оптический и, если необходимо, радиолокационный осмотр, передают данные в центр управления все время устранения неисправности.

В. Автономная работа стаей при комплексном многопараметрическом освещении обстановки в регионе. Беспилотник по массе и габаритам лимитирован для размещения на нем геосенсоров и другого оборудования.

Датчики и техника дистанционного зондирования размещаются на нескольких коптерах, которые совместно и согласованно осуществляют измерения и наблюдения в обследуемой локации, передают данные наблюдения на коптер-ретранслятор или доставляют их на землю по окончании работ.

Г. Автономная работа стаей коптеров при оперативном вскрытии обстановки по одному параметру в обширной рабочей зоне. Линейка коптеров с одинаковыми геосенсорами одновременно осуществляет измерения одинаковыми датчиками в различных точках или локациях обследуемого района.

Пример — гидрографический промер акватории линейным строем коптеров (расположены в линию перпендикулярно генеральному курсу промера), перемещающихся все сразу в одинаковом направлении

Д. Аэромобильный терминал для передачи на борт судна навигационно-гидрографической и гидрометеорологической информации, рекомендаций и другой служебной информации. Чтобы не устанавливать на суда дополнительное оборудование (например, навигационную аппаратуру пользователей наземных мобильных радионавигационных систем), на борт судна может быть отправлен коптер-терминал, который доводит до судоводителя необходимую информацию (например, координаты самого коптера, определенные с помощью радиолокационного визирования с берега или наземной РНС).

В приполярной зоне довольно часто возникают возмущения электромагнитного поля (табл. 1), которые искажают слабые сигналы спутниковых навигационных систем (СНС). Сигналы СНС в Арктике подвержены помехам и от других источников электромагнитного излучения. Поэтому судовладельцы требуют от гидрографической службы организации в АЗ РФ альтернативных высокоточных систем навигации — АВНС [7][8]. Это обстоятельство, в свою очередь, вызывает необходимость штатного доукомплектования судов дополнительной аппаратурой пользователей АВНС. Плюс эта аппаратура должна получить сертификат Российского морского регистра судоходства. Аэромобильные коптеры-терминалы как раз и предназначены для решения этой проблемы.

Е. Режим ретрансляции. Длительное посменное (вахтовое) обеспечение связи и телекоммуникации (рис. 7) в районе (акватории). При необходимости наряд коптеров в режиме ретранслятора осуществляет посменное (вахтовое) барражирование в обслуживаемом районе (акватории).

Ж. Мониторинг ледовой обстановки в ближней зоне ледокола (100–150 км) для вскрытия ледовой обстановки, обеспечения ледовых прогнозов, планирования маршрута перехода во льдах и поддержки ледовых проводок. Следует отметить, что эпизоды Б, В, Г требуют организации локализованного применения нескольких единиц коптеров одновременно, что означает формирование некоей групповой роботизированной киберфизической аэромобильной платформы.

Опытная эксплуатация и поисковые исследования по вопросам применения аэромобильных киберфизических платформ в Арктике показывают следующие организационные и технические вопросы, которые следует учитывать при эксплуатации мобильных роботизированных комплексов в АЗ РФ:

• необходимость предварительного получения разрешений и окончательного согласования полетов беспилотников в органах муниципального управления, региональных центрах управления полетами, близлежащих воинских частях и других директивных органах;
• камеральная (апостериорная) обработка материалов измерений и наблюдений зачастую требует привлечения априорной информации и участия эксперта;
• дальняя разведка требует задействования как минимум двух летательных аппаратов (ЛА), т.к. при возникновении неисправностей или отказе, аварийной посадке или падении одного ЛА другой поддерживает связь с пунктом управления и наводит группу эвакуации к месту аварии;
• аэромобильные беспилотные комплексы в большинстве задач применяются не по одиночке, что приводит к формированию групповой аэромобильной киберфизической роботизированной платформы, которая в полностью автономном режиме способна осуществлять комплексное освещение обстановки в локальном районе или осуществлять оперативную однопараметрическую съемку в обширном регионе. Групповое автономное применение аэромобильных роботов требует специальных алгоритмов и процедур информационного обмена между беспилотниками, управления «стаей» со стороны лидера.

Заключение

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что для поддержки территориальной деятельности могут быть использованы аромобильные киберфизические платформы, с помощью которых в слабооборудованных акваториях и районах АЗ РФ реализуются следующие цифровые технологии:

• комплексное освещение гидрометеорологической и навигационно-гидрографической обстановки (лед, ветер, течения, осадки, загрязнение, глубины, координатная информация, средства навигационного оборудования (СНО) и т. д.);
• поддержка связи и телекоммуникации в районе в режиме ретрансляции;
• осуществление лоцманской проводки в режиме мобильного створа;
• дублирование аварийных СНО;
• ледовая разведка в ближней морской зоне ледокола для поддержки ледовых прогнозов и планирования ледовых проводок.