Использование узкополосных радиомодемов УКВ-диапазона для мониторинга льдов и айсбергов в Арктике
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.
Общие характеристики |
|
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.
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.
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.
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.
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.
Общие характеристики |
|
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.
- 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.
- aari.ru/misc/publicat/paa/PAA-104/PAA-104_021-032.pdf
- arctic-council.org/ru
- nextgenrf.com
- flexlab.ru/publications/technical-bulletin/123-izveshchenie-01-radioset-v-arktike/file
- 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.