Арктика

Использование узкополосных радиомодемов УКВ-диапазона для мониторинга льдов и айсбергов в Арктике

№ 4’2020
PDF версия
В статье представлена краткая информация об использовании технологической радиосети управления и сбора данных на базе узкополосных радиомодемов для мониторинга ледовой обстановки и изучения процессов зарождения айсбергов в Арктике. Дано описание подсистемы обмена данными перспективного комплекса мониторинга и прогноза экстремальных явлений в припае и дрейфующем льду, разработанного специалистами ФГБУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» (ААНИИ, Санкт-Петербург). Автор статьи благодарит В. Н. Смирнова, главного научного сотрудника, д. ф.-м. н., и М. С. Знаменского, ведущего инженера ФГБУ «ААНИИ», за предоставление материалов [1].

Общая информация

Для транспортных и рыболовных судов, ледоколов, нефтегазовых комплексов, включающих стационарные плавучие гидротехнические сооружения и подводные трубопроводы, айсберги и их обломки представляют серьезную опасность из-за своей значительной массы и большой осадки. В последние годы в связи с активными работами (геологоразведка, сейсмическая съемка, разведочное бурение и др.) по освоению нефтегазовых месторождений на шельфе Баренцева и Карского морей вопрос айсберговой угрозы встал особенно остро. Поэтому мониторинг состояния вывод­ных ледников в режиме реального времени, процессов зарождения айсбергов и прогноз их перемещения имеет важное научное и прикладное значение [2].

В настоящее время основными методами изучения айсбергов можно считать космическое наблюдение и воздушную ледовую разведку. Однако каждый из этих методов имеет свои ограничения, поэтому более детальную информацию удается получить в ходе арктических экспедиций, регулярно проводимых государствами, входящими в Арктический совет, ведущий межправительственный форум, содействующий сотрудничеству в Арктике [3].

 

Канадский эксперимент по изучению айсбергов

В ходе одной из экспедиций в Северную Атлантику канадские ученые провели эксперимент по изучению характеристик айсберга с целью определения возможностей по изменению параметров его движения или разрушению [4]. В процессе эксперимента в пробуренном в теле айсберга шурфе был размещен измерительный программно-технический комплекс, содержавший различные датчики, подключенные к программируемому логическому контроллеру, и устройство внешней памяти. Удаленное управление и мониторинг работы всей аппаратуры предполагалось производить с борта научно-исследовательского судна по узкополосному радиоканалу, организованному на базе радио­модема Viper-SC+ 100, технические характеристики которого представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики радиомодема Viper-SC+ 100

Общие характеристики

Радиомодем Viper-SC+ 100

Диапазон частот, МГц

136–174

Шаг сетки частот, кГц (настраивается программно)

50; 25; 12,5; 6,25

Тип излучения

3K30F1D; 11K2F1D; 16K5F1D; 17K8F1D; 33K0F1D; 52K7F1D

Номинальная задержка при холодном старте, с

35

Рабочее напряжение, В

10–30 (постоянный ток)

Рабочая температура, °C

—40…+70

Температура хранения, °C

—45…+85, без образования конденсата

Влажность, %

5–95, без образования конденсата

Габаритные размеры (Ш×Г×В), см

13,97×10,8×5,4 (В)

Масса (в упаковке), кг

1,1

Рабочий режим

симплекс/полудуплекс

Передатчик

Полоса рабочих частот, МГц

38

Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт

1–10

Время атаки, мс

< 1

Время переключения между каналами, мс

< 15

Импеданс, Ом

50

Цикл работы на передачу, %

100

Интерфейсы

2×RS-232 (DE-9F), 10Base-T RJ-45

Антенна

TNC («мама») — прием/передача;

SMA («мама») — прием (для двухпортовых устройств)

Приемник

Чувствительность (вероятность ошибки 1×10-6):

 

–25 кГц, дБм (при скорости обмена данными, кбит/с)

–114 (16); –106 (32); –100 (48); –92 (64)

Подавление помех по соседнему каналу, дБ

70

Интермодуляция, дБ

> 75

Избирательность, дБ

> 70

Время переключения с приема на передачу, мс

< 2

Время переключения между каналами, мс

< 15

Модем

Скорость, кбит/с

4; 8; 12; 16; 24; 32; 48; 64; 128

Индикация

Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, прием/передача

Вид модуляции

2FSK, 4 FSK, 8FSK, 16FSK

Адресация

IP

Выбор данного радиомодема обусловлен необходимостью организации работы в жестких климатических условиях при питании от электрических аккумуляторов.

Первоначально предполагалось, что радиоканал будет использоваться только для удаленного управления и мониторинга работы научной аппаратуры, однако в связи с выходом из строя в процессе эксперимента устройств внешней памяти сбор данных был организован в оперативном режиме с их регистрацией на борту исследовательского судна. В результате практически на протяжении всего эксперимента узкополосный радиоканал обеспечивал не только удаленное управление научной аппаратурой, но и передачу всей собранной с ее помощью информации. Сбоев и отказов в работе узкополосной радиосети не выявлено.

 

Эксперименты по изучению свойств льда в российских экспедициях

В настоящее время активизированы работы по изучению состояния льдов в Арктике с использованием инструментальных средств, данные от которых собирают через радиомодемы УКВ-диапазона. В рамках таких работ на льду устанавливаются средства объективного контроля (контрольно-измерительная аппаратура), включающие сейсмометры, наклономеры, измерители напряжения, а также навигационные приемники для точного определения текущего местоположения аппаратуры. Эти средства подключаются к серверу пункта управления и сбора данных по беспроводному каналу с использованием радиомодемов Phantom II.

Ниже приведены примеры использования измерительной системы и технологической радиосети на морском льду и на ледниках при зарождении айсбергов.

В ходе одной из экспедиций система была развернута на льду Карского моря. На рис. 1 представлен рабочий момент экспериментов по регистрации сигналов во льду через радиомодем от движущегося ледокола.

Схема размещения приборов на ровном льду при экспериментах с движением ледокола «Ямал». Размещение оборудования на пикете

Рис. 1. Схема размещения приборов на ровном льду при экспериментах с движением ледокола «Ямал». Размещение оборудования на пикете:
1 — сейсмометр;
2 — наклономер;
3 — деформометр;
4 — регистратор;
5 — набор аккумуляторов (радиомодем с антенной за кадром)

Применение на льду дрейфующей станции было отработано в ходе экспедиции «Трансарктика-2019» [5]. Информация от установленной на льду аппаратуры поступала в пункты управления и сбора данных, развернутые на борту НЭС «Академик Трешников».

Связь ледокола с сейсмостанциями на дрейфующем льду организовывалась на дальность до 2 км и была устойчивой. Максимальная продолжительность работы без подзарядки аккумулятора составляла две недели. В этот период данные от аппаратуры собирали сеансами, по мере их накопления в месте установки аппаратуры. Всего в ходе каждого эксперимента одновременно использовалось до трех радиомодемов.

Мониторинг состояния ледника и зарождения айсбергов со сбором данных на берегу производился на архипелаге Шпицберген. По радиоканалу передавались сведения о разрушении ледника, обрушении обломков и образования айсберга. Данные передавалась в лабораторию (пункт сбора данных), развернутую на другом берегу фиорда на расстояние 12 км. Общая схема радиосети представлена на рис. 2.

Общая схема радиосети для инструментального мониторинга состояния ледника Норденшельда, архипелаг Шпицберген

Рис. 2. Общая схема радиосети для инструментального мониторинга состояния ледника Норденшельда, архипелаг Шпицберген

В период проведения эксперимента нарушений в работе средств связи и обмена данными не выявлено.

 

Организация мониторинга ледовой обстановки в реальном масштабе времени

Практические результаты экспериментов по инструментальному сбору данных о ледовой обстановке с использованием технологической радиосети обмена данными показали достаточно высокую надежность радиотехнического оборудования УКВ-диапазона при работе в северных широтах. В связи с этим технические средства были рекомендованы для применения в составе перспективной системы предупреждения об опасных ледовых явлениях в Арктике в режиме реального времени [6]. Структурная схема такой системы представлена на рис. 3.

Структурная схема перспективной системы мониторинга состояния льда для оповещения о возникающих экстремальных параметрах процессов сжатия и разрушения льдов

Рис. 3. Структурная схема перспективной системы мониторинга состояния льда для оповещения о возникающих экстремальных параметрах процессов сжатия и разрушения льдов

В составе технологической радиосети, предназначенной для обеспечения работы описанной системы, могут применяться различные радиомодемы. При этом существенное увеличение оперативной зоны такой радиосети может достигаться за счет использования ретрансляторов и узкополосных радиомодемов, работающих в более низкой части радиочастотного диапазона, в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ). Основной технической задачей при этом остается обеспечение заданной продолжительности автономной работы при питании от аккумуляторов.

Общая схема радиосети перспективной системы предупреждения об опасных ледовых явлениях в Арктике в режиме реального времени на радиомодемах ОВЧ-диапазона представлена на рис. 4.

Общая схема радиосети перспективной системы предупреждения об опасных ледовых явлениях в Арктике в режиме реального времени на радиомодемах ОВЧ-диапазона

Рис. 4. Общая схема радиосети перспективной системы предупреждения об опасных ледовых явлениях в Арктике в режиме реального времени на радиомодемах ОВЧ-диапазона

В составе радиосети может использоваться до четырех ретрансляторов на одном интервале связи.

В составе антенно-фидерного устройства базовой станции предусматривается использование грозозащиты, что связано с происходящими климатическими изменениями в данном регионе.

Технические характеристики радиотехнического оборудования, применявшегося российскими учеными в ходе экспериментов в Арктике, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Технические характеристики радиомодема Phantom II, применявшегося российскими учеными при проведении экспериментов в Арктике

Общие характеристики

Радиомодем Phantom II,

900 МГц

Диапазон частот, МГц

902–928

Потребляемый ток:

 

режим энергосбережения, мА

> 1

прием, мА

110–145

передача, А

0,35–0,5

Номинальная задержка при холодном старте, с

8

Рабочее напряжение, В

7–30 (постоянный ток)

Рабочая температура, °C

–40…+75

Температура хранения, °C

—45…+85, без образования конденсата

Влажность, %

5–95, без образования конденсата

Габаритные размеры (Ш×Г×В), см

5,7×9,5×4,5

Масса (в упаковке), кг

0,23

Рабочий режим

симплекс/полудуплекс

Полоса пропускания без подстройки, МГц

26

Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт

0,1–1

Цикл работы на передачу, %

100

Интерфейсы

RS-232/422/485, USB 2.0, 10/100Base-T

Антенна

TNC «мама» — прием/передача

Скорость, кбит/с

345 кбит/с — 1,384 Мбит/с, настраиваемая

Индикация

Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, прием/передача

Адресация

IP

Таким образом, практические результаты нескольких международных научно-исследовательских экспедиций подтверждают возможность использования современных технологических радиосетей обмена данными на базе узкополосных радиомодемов УКВ-диапазона для организации удаленного инструментального сбора информации о состоянии ледового покрова в интересах обеспечения хозяйственной деятельности и безопасности судоходства в акватории Северного морского пути. С этой целью может быть создана и развернута перспективная система предупреждения об опасных ледовых явлениях в Арктике в режиме реального времени.

Литература
  1. Смирнов В. Н., Ковалев С. М., Бородкин В. А., Нюбом А. А., Шушлебин А. И. Инструментальный мониторинг и краткосрочный прогноз явлений сжатия и торошения в морских льдах. СПб., ААНИИ, 2017.
  2. aari.ru/misc/publicat/paa/PAA-104/PAA-104_021-032.pdf
  3. arctic-council.org/ru
  4. nextgenrf.com
  5. flexlab.ru/publications/technical-bulletin/123-izveshchenie-01-radioset-v-arktike/file
  6. Смирнов В. Н., Знаменский М. С., Шушлебин А. И., Ковалев С. М. Патент на изобретение № 2621276 «Способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби». Приоритет полезной модели 08.04.2016. Зарегистрировано в Госреестре изобретений РФ 02.06.2017.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.