„Трудностите съществуват, за да се преодоляват.“

Съвременни подходи за снимка на релефа на дъното в акваторията на Северния Ледовит океан. В контекста на геоинформационното осигуряване на морските дейности, декларирано в съответния параграф на Морската доктрина на РФ, и с изменение на концептуалните подходи към оперативното осигуряване с геопространствена информация на морските дейности на ВМФ е целесъобразно да се отчитат новите възможности за сбор на геопространствена информация за навигационно хидрографските условия в акваторията на Северния Ледовит океан (СЛО) с отчитане на неговите физикогеографски особености.

Към особеностите на СЛО се отнасят специфичните ледови условия на плаване на корабите, екстремални метеорологични условия, наличие на при полюсни аномалии на физическите полета на Земята.

Значителна част от акваторията на СЛО в течение на цялата година е покрита с плътна ледена покривка, с дебелина през зимата достигаща 3-4 м. В резултат на придвижване и пречупвания на леда се образуват ледени натрупвания (блокове), чиято подводна част може да достигне дебелина 20 м. Още по-голяма дълбочина имат плаващите айсберги. Но в резултат на процесите от глобалното затопляне ледената обстановка в Арктика претърпява сериозни изменения. Обширни акватории се освобождават от леда и през летния период са достъпни не само за корабоплаване, но и за други видове морски дейности.

Тази възможност за осъществяване на безопасно корабоплаване се оценява, в това число, и по точността и подробността на хидрографската снимка, изпълнена с цел съставяне на навигационни морски карти (НМК). Този подход е реализиран н в стандарт S-44 на Международната хидрографска организация (МХО).

За районите на СЛО, оставащи под лед през цялата година, с дълбочини по-големи от 200 м материалите от изпълнената снимка в съответствие със стандарта S-44 на МХО трябва да отговарят на следните изисквания:

Максималната допустима неопределеност (P=0,95) в плановото положение на измерените дълбочини относно пунктовете на геодезическата основа на снимката е 20 м + 10% от дълбочината.

Максималната допустима пълна неопределеност по вертикала при 5%-но доверително ниво представлява следната величина ±√a²+(bxd)², където a – съставлява на тази част от неопределеността, която не се изменя с дълбочината; b – коефициент, съответстващ на тази част от неопределеността, която се изменя с дълбочината; d – дълбочина; bxd – съответства на тази част от неопределеността, която се изменя с дълбочината.

За по-голямата част от акваторията на СЛО a=1,0 м; b=0,023, което е от клас „2” от стандарта на МХО S-44, тоест за районите с дълбочини по-големи от 100 м, за които се счита достатъчно общо описанието на дъното на морето.

Средната дълбочина на СЛО е 1225 м.

По такъв начин:

– максимална допустима неопределеност (P=0,95) на плановото положение: 20 м +125,5 = 145,5 м;

– максимална допустима пълна неопределеност по вертикала при 5%-но доверително ниво: σ_z=√1²+(0,023*1225)² = 28,19 м;

– изпълнение на площна снимка не се изисква, максималното между галсово разстояние е четири средни дълбочини, тоест около 5 км.

Особеност на обектите за картографиране на подводния релеф на СЛО се явява значителната протяжност и отдалечение от брега на шелфовата зона (изобата 200 м), достигаща стотици километри. Необходимостта от отчитане на поправките за дълбочините с величината на прилива поставя задача за отчета на моментното ниво над нулата на дълбочините на обширна акватория от крайбрежния шелф от СЛО.

Към настоящия момент някои страни полагат усилия за разработка на модел, „отделящ” (модел на разделение) на нулата на дълбочините на картата и референт елипсоида. Тези модели освобождават хидрографа от процедурата за привързване на данните към нулата на дълбочините, които могат да бъдат сложни и повтарящи се, а следователно, скъпо струващи. Поради това простото измерване с ГНСС (GPS) на геодезическите височини позволява на ползвателя да свърже всяка дълбочина от модела на физическия геойд или с нула на дълбочините от навигационната карта. За съжаление, такъв модел на Арктика не съществува, и сложността на задачата и необятността на шелфовата зона на СЛО биха изисквали съществени усилия по създаването на такъв модел с нула на дълбочините на тази зона.

Най-голямата опасност за подводната навигация може да представляват неизвестните подводни планини, чийто върхове се разполагат в навигационния слой, тоест на дълбочини от 0 до 600 м. Количеството на такива обекти, открити в СЛО, са 16. Най-малката подводна планина, за фиксирана в СЛО, заема площ от 790 км² (310 кв. мили).

За откриване на подводните обекти и картографиране на релефа на дъното в районите на СЛО, освободили се от ледената си покривка, най-ефективното провеждане на снимка е с помощта на много лъчеви ехолоти (МЛЕ).

В течение на предишните 10-15 години използването на много лъчевата батиметрия в хидрографските снимки е получила широко разпространение. Способност за получаване на много по-пълни данни за дълбочините при малко количество на галси в снимката (с голям интервал между галсите) и възможност едновременно с измерване на дълбочините, да се измери и интензивността на отразения сигнал, за последващо определяне на типа на отразяващата повърхност е направила много лъчевите ехолоти (МЛЕ) основен инструмент за реализация на принципа на плътното покритие на акваторията с измерваните дълбочини – така наречената площна снимка на релефа на дъното.

Ново перспективно направление за получаване на хидрографска информация се явява едновременното облъчване на дъното при снимка с МЛЕ със сигнали от няколко честоти и последващ анализ на отразените от дъното сигнали. Различния характер на отразяването, присъщ на различните типове морски грунт, позволява по пътя на сравнението с установяването на характера на отразения сигнал на различните честоти да се установи типа на грунта по неговия спектрален образ. За тази цел се използват три честоти: 200, 400 и 700 кГц. Нивото на отразяване на тези честоти за различните типове грунт може да варира в диапазон от 6 до 12 дБ в зависимост от ширината на полосата на пропускане / ширина на импулса. Това позволява с висока достоверност по спектралния образ на отразения импулс да се идентифицира типа на отразяващата повърхност, а следователно, да се води площна грунтова снимка на дъното на океана.

Недостатък на снимката от надводен кораб се състои в това, че ледената обстановка ограничава възможността за нейното провеждане на високите ширини и непосредствено близки до полюса заради наличието в тях на многолетни пакетирани ледове, чийто дебелина достига няколко метра. Съвместна американско – канадска експедиция, провеждаща снимка от леда е могла да стигне широта 84º.

През периода от 2010 до 2014 г. руски организации под общо ръководство са изпълнели голям обем работи по снимка на релефа на дъното в райони, постоянно покрити с лед. Главен изпълнител на комплекса по изпълнението на батиметричните работи е бил Държавния научно изследователския навигационно хидрографски институт. Измерванията са били провеждани с помощта на дълбоководен много лъчев ехолот EM122 RX, разработка на фирмата Kongsberg, установен на ОИК „Академик Федоров”. Корабът се е движил зад атомен ледоразбивач. По такъв начин, за първи път в историята е била осигурена възможност за осъществяване на високо точна батиметрична снимка в трудно достъпни райони в Арктика. В обща сложност за годините на изследване са били изпълнени почти 25 хиляди линейни километра по снимката.

Съществен принос за решаването на проблемите по провеждане на снимки в трудно достъпни участъци от акваторията на СЛО може да се внесе с използването за тези цели на дрейфуващи буйове. За тази цел се изпълнява проекта SSPARR – Seafloor Soundings in Polar and Remote Regions (Дълбочини на морското дъно в полярните и отделни райони). Счита се, че проектът ще позволи да се осъществи малко разходна батиметрия в недостъпните области на океана. Проекта предполага начално развръщане на буйовете, оборудвани с ехолоти, в СЛО, с ледоразбивачи, със скоростни кораби на въздушна възглавница.

Проекта SSPARR се е осъществил в периода от 2000 до 2002 г. в рамките на осъществяване на проекта GEBCO (Обща батиметрична карта на океана) е съвпаднал с обявяването за увеличената точност на позициониране с използването на GPS вследствие отмяната на селективната достъпност, с възраждането през 2001 година на спътниковата комуникационна система LLC Iridium и появяването на евтини хидроакустически преобразователи.

Глобална система за спътникова свръзка Iridium е получила своето название във връзка с това, че първоначално се е планирало да се създаде група от 77 спътника. Това число е равно на атомния номер на иридия. През 1993 г. в съответствие с разпореждане на Президента на РФ един от инвеститорите на проекта е станал Държавния Космически център (ДКЦ). ДКЦ е получил права на 5% от акциите, влагайки 82 млн. долара. ДКЦ е получил също право на ексклузивно предоставяне на услуги Iridium на територията на Русия и СНГ, за което е построил станция за свързване под Москва. За 2015-2017 година се планира развръщане на обновена орбитална групировка Iridium NEXT от 66 спътника нов модел, с обща стойност от порядъка на 3 млрд. долара. Извеждането на спътниците се планирало за октомври на 2015 г. (2 апарата) и 7 PH SpaceX Falcon-9 (на всеки – по 10 спътника), но са били пренесени за четири месеца.

Измерването на дълбочини от автономен буй, неговото преместване под въздействие на вятъра и теченията, и дрейфуващите ледове осигурява получаването на данни за релефа на дъното за тези обширни и недостъпни области на Световния океан.

Опитния образец на подобна роботоризирана система включва буй, снабден с едно лъчев ехолот, работещ на честота 12 кГц, приемник за навигация GPS, система за сбор и съхранение на данните, система за радио телеметрия и батерия, осигуряваща с енергия системата в течение приблизително на три години.

Буят е способен да измерва дълбочини до 5000 м. Режимът на измерване може да бъде програмиран така, щото да измерва дълбочини в зависимост от скоростта на дрейфа, определян по измерванията от GPS с отчитане на изменчивостта на релефа на дъното. При това може да бъде получена допълнителна информация относно дрейфа на леда или повърхностните течения по данни от определенията по GPS на местоположението на буя.

В СЛО развръщането на буя може да бъде осъществено от ледоразбивач, приземен самолет или от подводно изплавала ПЛ, нито едно от които не е ефективно. През 2004 г. е било предложено за тази цел да се използва скоростен кораб от типа Griffon 2000TD в дългосрочна програма за геофизически изследвания в СЛО. В съвместна канадска и датска програма за определяне на границите на континенталния шелф се предлагало да се поставят сто буя по линия перпендикулярна на крайбрежието и да се използва за снимка паралелния крайбрежен дрейф на леда, наблюдавал се през 1970 – 1974 година.

Скоростен кораб от типа Griffon 2000TD – Дължина – 12,7м; минимален екипаж – 2 човека; максимално полезно натоварване – 2,2 тона; продължителност на непрекъсната работа – 7 часа; максимална скорост при пълно натоварване – 34 възела.

Колко икономически това е изгодно? Да сравним. В Арктика един километър от профил на дълбочините от снимка с ледоразбивач от типа USCGC Healy може да бъде получен на всеки 6-20 мин. и е със стойност 150-500 USD. Снимка на аналогичен профил от подводна лодка ще отнеме примерно 2 минути, а стойността ще е приблизително 50 USD. Снимка на еднокилометров профил с SSPARR би заела около 8 часа (в периода 1970-1974 г. средната скорост на дрейфа в морето на Линколн е била 3,02 км/ден). За времето на функциониране на буя в течение на 3-4 години и с отчитане на неговата стойност 3000 USD, а също и с отчитане на спътниковата свръзка от 500 $ за година, стойността на 1 км от снимката е била 0,82 USD.

Макар, видимо, случайната следа на дрейфа на буя не прилича на обикновен прав корабен галс, така или иначе опита, получен от дрейфуващите постове за наблюдение на ледовата обстановка е показал, че това може да осигури добро триизмерно изображение на релефа на дъното на океана. Много буйове, установени перпендикулярно на известен средно пълен дрейф на леда трябва да осигури обхват на дъното в широка полоса.

Установката на буй SSPARR изисква, да се пробие по-голямо от шест диаметъра на буя отверстие през многолетния лед в безопасно разстояние от открита вода или гребен на струпан лед. От установения буй преобразовател от ехолота се потапя на 10-20 м под леда. Такава процедура за установка на буя от борда на ледоразбивач би била доста скъпа, изисква 1-3 часа корабна работа. Използването за тези цели на корабните въртолети би имала приблизително такава стойност. За скоростния кораб стойността на обслужване и за гориво ще е в размер на 100 USD/час. Разходите за установка на ледовата сонда на многолетен лед и пробиване на леда би била всичко на всичко една не голяма част от тази сума. Данните за преместването на буя биха осигурили синоптическото представяне на деформацията на леденото поле. От арктическия буй може да се вземат даже данни за позиционирането на АНПА, изправяйки натрупаната погрешност на автономната под ледова навигация. Високата точност на синхронизация на излъчвания от буя сигнал позволява да се оцени времето за пристигане на отразения от дъното сигнал, излъчван от други буйове в пределите на 8-10 км, което би позволило да се увеличи подробността на снимката. Данните от снимката чрез модем за спътникова свръзка на системата Iridium се предават на наземния център за обработка на данни.

В хода на планиране на снимката е необходимо да се отчита, че без използване на океанографски модели на циркулация е невъзможно да се предскаже траекторията на буйовете и интервала на между галсовото разстояние на сондиране за всеки буй. Данните за снимката, получени от случайни траектории ще имат случайно пространствено разпределение и поради това няма да съответстват на приетия стандарт от гледна точка на между галсово разстояние на изискването за подробност на снимката.

Оперативна снимка на зададен район може да бъде осъществена с помощта на автономни необитаеми подводни апарати (АНПА), оборудвани със снимачна апаратура, навигационна апаратура, системи за свръзка и управление на работата на АНПА.

Вече към настоящия момент работата на АНПА под леда на отдалечение в пределите на 100 км от базата за поддръжка или кораба носител става обичайна практика за използването на АНПА. Така или иначе, независимо от високото ниво на автономност, болшинството от АНПА не могат да работят в течение на повече от няколко дена път от кораба носител или лагера за поддръжка.

За периодична корекция положението на АНПА в района на снимката може да бъде развърната мрежа от хидроакустически маяци ответчици, установявани при нормални условия на дъното на океана, а при отчитане на наличието на мощно ледено покритие – от повърхността на леда на въже на зададена дълбочина. Положението на маяка ответчик се определя с използването на ГНСС (GPS) и трябва да се предава заедно с навигационния сигнал, реализирайки по този начин дълго базисна хидроакустична навигационна система (LBL).

Такива реални явления както рефракция, разсейване, реверберация и други водят към това, че акустическия сигнал на приемната страна пристига изкривен. Изкривяването на приемания сигнал значително изкривява скоростта на предаване на данните. Един от пътищата за снижаване на изкривяванията на приемания сигнал на качеството на демодулация се явява разработката на алгоритмично осигуряване за цифров синтез на сигналите в предавателя и на тяхната цифрова обработка в приемника. По такъв начин, разработката на перспективни и модернизацията на съществуващите хидроакустически модеми за АНПА може да бъде на основата на синтеза на сложните сигнали в предавателя и алгоритми за тяхната обработка в приемника.

Голяма част от бреговата линия на моретата от СЛО е отдалечена на значително разстояние от портовете и изисква скъпа мобилизация на относително големи кораби и отнемащо много време за преходи, поради което потенциалната полза се заключава в използването на автономните надводни апарати за изпълнението на хидрографски снимки. При това с един кораб могат да бъдат развърнати няколко такива апарата, за да бъде увеличена производителността. Това е особено важно, когато работата трябва да бъде завършена в течение на ограничения сезон, когато акваторията е свободна от лед.

Изводи.

1. Нарастващата икономическа и военна роля на Северния Ледовит океан и измененията на природните условия издигат нови изисквания към изучеността на неговата акватория в навигационно хидрографско отношение и, в частност, получаването на информация за релефа на дъното на акваториите, откриващи се от лед и намиращи се под лед в при полюсните райони.

2. Сложността на работата в Арктическия регион се състои в значителните пространства с дълбочини по-малки от 200 м, което изисква високо точно координатно осигуряване по височина и разработка на модели на геодезическата височина на нулата на дълбочините на цялата корабоплавателна акватория на СЛО.

3. Най-ефективната снимка на релефа на дъното на откриващата се от лед акватория може да бъде изпълнена по пътя провеждане на корабна хидрографска снимка с помощта на много лъчев ехолот, в това число с използването на надводни безпилотни апарати.

4. Снимка на акватория, покрита от многолетен лед, може да бъде осъществена с използването на автоматизирани буйове, развърнати на леда с помощта на ледоразбивач. Недостатък на този подход – несистемното покритие от измерените дълбочини и ниската оперативност на получените данни.

5. Използването за снимка под леда на автономни подводни апарати има ограничено значение вследствие на недостатъчната автономност на тези средства и сложността на координатното осигуряване.