„Нуждата е майка на изобретателността.“

През последното десетилетие в редица страни се наблюдава значителна активация на работите, свързани със създанието и усъвършенстването на системите за оперативна океанология.

На практика системите за оперативна океанология представляват системи за мониторинг, осигуряващи целенасочена систематическа дейност по изпълнение на регулярни измервания на хидрометеорологическите параметри, характеризиращи състоянието на океана и атмосферата, а също така последващата обработка на получените данни, позволяващи да се оцени текущото и да се прогнозира очакваното състояние на хидрофизичните полета на океана преимуществено на мезомащабната и синоптичната изменчивост. Към такива полета, на първо място се отнасят полето на температурата, теченията, скорост на звука, соленост и плътност на морската вода.

Наличието на подробни данни за изменчивостта на средата по трасето на разпространение на акустическата енергия позволява много по-точно да се оцени акустическото поле в тримерно пространство и вземането на много по-обосновани решения по управление на системата за осветяване на обстановката, а също така на използването на съответните сили и средства. Освен това, данните за средата позволяват да се оптимизира движението на носителя, осигурявайки увеличаване на неговата далечина на търсене.

За откриването, а още повече прогнозирането на хидрофизическите процеси и явления в мезомащабната и синоптическата изменчивост, се изисква разработката на нови технологии за наблюдението им, съвременните средства за измерване, а също така за създаване на съответните математически модели, осигуряващи обработката и усвояването на информацията за състоянието на природната среда.

Структурно всяка система за оперативна океанология (СООк) включва четири основни под системи: под система за наблюдение и измерване, под система за сбор, обработка и прогнозиране на средата, под система за оценка на влиянието на средата на силите и средствата, под система за изработка на препоръки за решение и довеждане на информацията до потребителя.

В общия случай под системите за наблюдение и измерване обединяват:

– технически средства за контактни измервания, в състава на които влизат буйове с различно назначение (котвени, дрейфуващи – повърхностни, профиломери и т.н.), а също така съдови и авиационни средства за вертикално сондиране на океана;

– технически средства за дистанционно измерване, включващи средствата за сондиране на океана от космоса, осигуряващи системите за диагноза и прогноза за спътниковите алтиметрически наблюдения на топографията на повърхността на океана, с данни за приводния вятър, вълнението, температурата на водата и цвета на морето.

За полярните райони важна характеристика, наблюдавана от ИСЗ се явява състоянието на ледената покривка.

Разработката, изготвянето и последващото функциониране на съвременните глобални системи за оперативна океанология изискват извънредно големи финансови и материални вложения и поради това зад граница се осъществяват в рамките на международни програми и проекти, такива като ГЕО, ГЕОСС, ГООС, Коперникус и др.

Към настоящо време общото количество на измерителните средства, входящи в състава на наблюдателните мрежи могат да достигнат 5500-8000 бр. Ежегодно за поддържане на работоспособността на системите се установяват не по-малко от 700 нови буя.

В състава на мрежите влизат:

– профилиращи буя по проекта „Арго” (повече от 3500 бр.), извършващи вертикални разрези в океана;

– повърхностни дрейфуващи буйове (примерно 1500 бр.);

– котвени буйове (не по-малко от 100 бр.);

– еднократни сонди за изпълнение на корабни попътни и специални наблюдения.

Профилиращите буйове по проекта „Арго” (рис. 5) са предназначени за изучаване на дълбоководните течения, а също за вертикално сондиране за измерване разпределението на солеността и температурата на водата. Работата на буя основно се осъществява по 10 дневна скала. След предаване на данните, което заема примерно 6-12 часа, буя се потапя на дълбочина 1000 м. С помощта на механизма за управление на плавучестта буя се уравновесява на тази дълбочина, където и дрейфува в течение на девет дена. Преди изплуване на повърхността буя се потапя на дълбочина 2000 м, след това започва изплуване и извършване на измервания. След изплуването буя осъществява предаване на данните, с завършването на което цикълът се повтаря. Ориентировъчната стойност на такъв буй е 20000 долара САЩ.

Рис 5. Устройство на дрейфуващ буй „Арго”.

Най-известния и използван на практика тип по ред повърхностен дрейфуващ буй е разработен в РАН в Севастопол.

Повърхностните дрейфуващи буйове са способни да осигурят измерване на най-значителните хидрометеорологични параметри, в това число в полярните и в при полярните райони. Информационно измерителните възможности на дрейфуващите повърхностни буйове при приемлива стойност са определили тяхното място в системата за наблюдение като едно от масовите средства за оперативен мониторинг в действения слой на океана, динамиката на ледените полета и при водната атмосфера. Типичен котвен буй се явява буя на фирмата AANDERAA (рис. 6).

Рис. 6. Котвен хидрометеорологичен буй AANDERAA.

За производството на попътни корабни измервания най-често се използват еднократни хидрологични сонди от типа ХВТ – за определяне на вертикалното разпределение на температурата на морската вода по дълбочина и XCTD – за определяне на вертикалното разпределение на температурата, електрическата проводимост и налягането. В хода на провеждане на изследването измерваните параметри се предават от датчиците на свободно падащата сонда чрез тънък проводник (0,15 мм) на бордово устройство. За определяне на вертикалното разпределение хидрофизическите параметри с използване на авиация се използват еднократни сонди от типа AXCTD, AXSV, AXCP, позволяващи получаването на профили на температурата, скоростта на звука и скоростта на теченията съответно (рис. 7).

Рис. 7. Автономна еднократна сонда AXSV, AXCP.

Направения анализ, а също така и резултатите, получени в редица публикации се потвърждава необходимостта от създаването на отечествени функционални системи за оперативна океанология (СООк), предполагащи достигане на съвременното ниво на информационно осигуряване на управлението на силите и средствата на ВС. Очевидно е, че при създаване на отечествени СООк е целесъобразно да се използват методическите подходи и техническите решения, позволяващи в значителна степен да се снизят съпътстващите материални и финансови разходи. Отчитайки ограничения обем на данните, пригодни да се предават по спътниковите канали за свръзка, поставената цел може да бъде достигната, ако вместо изпълнение на регулярните измервания (мониторинга), бъдат реализирани по методиката за разкриване на хидрофизическите полета в относително ограничени, оперативно важни райони на Световния океан, осъществявани по пътя на подробна синхронна снимка с използване на значително количество сонди за еднократно използване, установяване от авиационни или корабни носители.

Следва да се подчертае, че използването на подобна система за разкриване на хидрологичната обстановка предвижда необходимост от използване на съответните числови модели за обработка на получената информация. Пример за последните се явяват моделите, разработени от РАН. Основните изисквания към дълбоководните измервания, изпълнявани с използването на технически средства за ХМО за последваща асимилация (усвояване) с числени модели за морската среда са приведени в таблица 1.

Таблица 1. Изисквания към резултатите от измерванията на хидрофизичните параметри.

При това в качеството на базов измерител на хидрофизични величини, характеризиращи процесите в мезомащабната изменчивост е необходимо да се използват свободно падащите еднократни сонди, предназначени за измерване на температурата, електропроводимостта, скоростта на звука в морската вода, хидростатичното налягане до дълбочина 2000 м, а също така скоростта и направлението на при дънните течения.

В хода на изпълнение на измерванията еднократните сонди трябва да се потапят на зададена дълбочина с попътни измервания на хидрофизичните параметри и позициониране на дъното за измерване на параметрите на придънното течение. След изпълнение на цикъла от измерванията сондата изплава на повърхността и предава данните за измерените параметри на носителя. При постановка на еднократните сонди от кораб или съд предаването на данните на брегови пост за обработка може да се осъществи с използването на авиационен ретранслатор.

В качеството на друга апаратура, предназначена за измерване на хидрофизичните параметри, в интересите на оперативната океанология може да бъде използван дрейфуващия автономен измерителен комплекс (ДАИК), явяващ се аналог на дрейфуващия буй от Арго, осигуряващ получаването на данни за вертикалното разпределение на температурата, електрическата проводимост, хидростатичното налягане и скоростта на разпространение на звука в морската вода при изпълнение на многократни сондирания до дълбочина 2000 м.

Изискванията към метеорологичните характеристики на горе указаната апаратура се определят с отчета на следните условия: съвременно ниво на развитие на техническите средства за измерване на параметрите на мезоструктурите в океана, равновесното внасяне на погрешност, непосредствено измерваните хидрофизични елементи в разчет на параметрите, измерваните косвено, а също така изискванията към числовите модели, използвани в подсистемите за обработка и прогнозиране. Тези изисквания са приведени в таблица 2.

Таблица 2.

Наред с горе указаната апаратура, необходимо е да се разработят редица съвременни технически средства, най-често използвани в практиката решения на традиционните приложни задачи на ХМО на ВМФ. Такава апаратура се явява завръщащата се хидрологична сонда СТД и малко габаритния еднократен измерител (МИТ).

Сондата СТД е предназначена за изпълнение на измервания по вертикалните профили на температурата, електропроводимостта, хидростатичното налягане и скоростта на разпространение на звука във морската вода при изпълнение на многократни сондирания от надводен кораб при скорост на хода до 10 възела и на дрейф.

Най-близки аналози на сондата СТД се явяват:

– отечествена – „Сонда хидрологична ОЛД-1”;

– зад гранична – Underway CTD.

В състава на изделието на сондата СТД трябва да влизат:

– потопяемо устройство (сонда), осигуряващо измерването на вертикалните профили на хидрофизичните параметри до дълбочини 2000 м;

– бордово устройство, включващо компютър и специално програмно осигуряване, осигуряващо обработката, визуализацията и натрупването на данните, получени в хода на сондирането, предаването на информацията на потребителя във вид на таблици и графики, а също така в системите и комплексите на кораба по съгласуван протокол, съставяне и печат на телеграми в код КН-05;

– специализирана кран – балка и лебедка снабдена с автоматизиран механизъм за навиване, който дава възможност да изпълни сондирането на ход на кораба. В хода на сондирането, буксирния фал едновременно се навива от барабана на лебедката и с корпуса на потопяемото устройство;

– устройство за спрягане на потопяемото устройство с бордовото устройство, осигуряващо сравняването на данните, натрупани в хода на сондирането;

– зарядно устройство.

Метрологичните характеристики на сондата СТД трябва да съответства на значенията, приведени в табл. 1.

МИТ е предназначен за изпълнение на измервания на хидрофизичните параметри с цел получаване на информация за вертикалните профили за температурата, солеността, плътността на морската вода и скоростта на разпространение на звука в морската вода при изпълнение на еднократни сондирания от надводен кораб на ход или дрейф.

Най-близък аналог на МИТ се явява отечествената термосонда ТЗО-2 и задграничната сонда ХВТ.

В състава на изделието МИТ трябва да влизат: бордово устройство, включващо устройство за осигуряване на постановка на хидросондата от надводен кораб и комплект корабна апаратура за приемане на натрупаната информация от хидросондата с последващо предаване в бреговия център, а също малогабаритната измерителна хидросонда за еднократно действие.

Комплекта на корабната апаратура трябва да осигурява:

– прием, обработка, натрупване и визуализация на измерената информация във вид на таблици и графици на екрана на ползвателя;

– автоматизирано предаване на измерените данни в корабните системи и комплекси по съгласуван протокол;

– предаване на информация на бреговия център с използване на отделна линия за връзка.

В резултат трябва да бъдат разработени две модификации на еднократна сонда:

– сонда с датчици за температурата, скоростта на звука, хидростатичното налягане;

– сонда с датчици за температурата и хидростатичното налягане.

С отчитане на вертикалната изменчивост на скоростта на разпространение на звука в морската вода с дълбочината, измерването на параметрите с помощта на МИТ трябва да е не повече от 800 м.

За осигуряване на предаване на измерената информация от сондата в бордовото устройство в апаратурата на МИТ е целесъобразно да се използва комбиниран принцип за предаване на данни, при който измерената информация от сондата се предава по микрокабел на входа на промеждутъчен УКВ радиопредавател, разместен на платка, а след това на корабното бордово устройство по радиоканал. Дадения способ на предаване на данните е предпочитан, доколкото в този случай на сондирането не влияе на скоростта на преместване на носителя, освен това, увеличава се времето за надеждно предаване на данните на кораба. При използване на указания комбиниран способ предаването на данните за самоликвидация на изделието е достатъчно да се осигури потапянето на поплавъка, например, изготвяйки го от картон.

За снижаване на стойността на апаратурата изискванията към метрологичните характеристики на МИТ е необходимо да се снизи по отношение към завръщащата се сонда СТД и да се изложи в следния вид.

Температура на водата, ºС – от -2,5 до +35 ±0,1.

Скорост на звука във водата, м/с – от 1402 до 1560 ±0,5.

Хидростатично налягане, МПа – от 0 до 8 ±0,01.

На корабите измерителния комплекс МИТ е целесъобразно да се използва съвместно със сонда СТД, включващ в своя състав специализирана лебедка, осигуряваща изпълнение на сондиране на дрейф и на скорост до 10 възела. Това в значителна степен ще способства за снижаване на стойността на изпълняваните работи като цяло и ще осигури повишаването на надеждността за получаване на необходимата информация в условията на радио смущения.

Също така много актуална е разработката на отечествения автоматизиран акустически дистанционен измерител на параметрите на теченията (ААДИТ), обединяващ функции предназначени за измерване на параметрите на теченията и хидрофизическите параметри от борда на надводния кораб, а също при установка на измерителя на дъното и на буйкова станция.

Най-близкия аналог на ААДИТ се явява задграничните акустически доплеров дистанционен измерител на теченията ADCP.

В състава на комплекта на ААДИТ трябва да влизат:

– автономен измерителен блок с хидроакустични антени и датчици за измерване на хидрофизичните параметри;

– комплект от оборудване на автономната буйкова станция (АБС), включващ плавучест с буй реп, акустически разделител, котвено устройство;

– комплект от оборудване, осигуряващ установяването на ААДИТ на дъното:

– кронщейн, осигуряващ функционирането на ААДИТ от борда на надводен кораб;

– бордова апаратура за прием, обработка и натрупване на информация.

Далечината на действие на ААДИТ трябва да е не по-малка от 600 м.

Необходимо е да се отбележи, че в настоящо време доплеровския профилограф като средство за измерване на параметрите на теченията не се сертифицира метро логически.

По такъв начин, може да се констатира следното:

1. Съществуващата отечествена приборна база не в пълен размер отговаря на съвременните изисквания за извършване на наблюдения в океана в интересите на ВМФ. Болшинството от по-рано разработените прибори са морално остарели и в настоящо време серийно не се изпълняват.

2. За създаване на отечествена система за оперативна океанология е целесъобразно да се използва методиката за разкриване на океанологическата обстановка в относително ограничени, оперативно важни райони в Световния океан, осъществявана по пътя на подробна квази синхронна снимка на хидрофизичните полета със зададена стъпка.

3. В качеството на базов измерител на хидрофизичните величини, характеризиращи процесите в мезомащабната и синоптическа изменчивост е целесъобразно да се използва свободно падащи еднократни сонди, осигуряващи измерване на температурата, електропроводимостта, скоростта на звук в морската вода, хидростатичното налягане, а също скорост и направление на придънните течения. Друг вид перспективна апаратура, използвана за решение на задачите на оперативната океанология се явяват дрейфуващите автономни измерителни комплекси.

4. Наред с техническите средства за оперативна океанология е необходимо да се разработят редица съвременни хидрологични прибори, предназначени за решаване на традиционните задачи на ХМО на ВМФ. Такива прибори се явяват корабните сонди за еднократно и многократно използване, а също така автономни акустически измерители на теченията.

5. Изискванията към метрологичните характеристики на разработваната апаратура се определят с отчет на съвременното ниво на развитие на техническите средства за измерване, равновесно внасяне на погрешност, непосредствено измервани хидрофизични елементи, в разчет на параметрите, измервани косвено, а също така изискванията към числовите модели, използвани в под системите за обработка и прогнозиране на средата.