CC BY
72
УДК 614.8:622.2
А.Ю. Кудрин к.т.н., В.М. Резников к.т.н.
АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ПОЖАРНОЙ ОБСТАНОВКИ
В статье обсуждаются состояние и возможности космического мониторинга пожарной обстановки, имеющиеся проблемы, связанные с принципиальным для космических аппаратов противоречием между пространственным и временным разрешением, предлагаются пути его преодоления за счет введения в систему мониторинга стратосферного (высотного) сегмента, построенного на дирижаблях как носителях съемочной аппаратуры
А.Ю. Кудрин
§!
Ь>
о
ю
03 I
О.
5
о.
о
0
<и
5
X
X
<1>
(-
1
0
1 У
X
- и -
В. М. Резников
Лесные пожары занимают не последнее место среди природных чрезвычайных ситуаций. В среднем по стране регистрируется до сорока тысяч пожаров, уничтожающих миллионы гектаров лесных площадей, десятки миллионов кубометров древесины. При этом динамика лесопожарной ситуации за последние 10 лет показывает тенденцию к сохранению высокого уровня повреждений лесов Сибири и Дальнего Востока в результате действия лесных пожаров.
Вторичные материальные потери образуются за счет замещения на гарях ценных хвойных пород менее ценными лиственными, не говоря уже о годах, необходимых для восстановления зрелости деревьев.
В связи с потеплением климата можно ожидать повышения потенциальной опасности лесных пожаров на южных окраинах тайги, что также будет способствовать замещению лиственными породами.
Несмотря на то, что преобладающим фактором в возникновении лесных пожаров является антропогенный фактор (неконтролируемые сельскохозяйственные палы, несоблюдение правил противопожарной безопасности при разведении костров, сжигании мусора и прошлогодней травы, а также предумышленные поджоги леса), вовремя обнаружить, а следовательно ликвидировать пожар в его начальной стадии не удается. Пожар, разгоревшийся на сотни га удается остановить только перед жилыми объектами и предотвратить гибель людей.
Средняя стоимость пожарных мероприятий достигает 700 тысяч рублей на один гектар площади пожара. Остро встал вопрос раннего обнаружения природных ЧС, в связи с чем в начале 90-х годов Всероссийскому научно-исследовательскому институту по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций (ВНИИ ГОЧС) МЧС России было поручено научное обоснование возможности использования космической информации для решения задач контроля возникновения ЧС и объективной оценки их последствий.
Без достоверного и качественного прогноза, оперативного обнаружения нельзя грамотно организовать аварийно-спасательные работы (АСР) и сократить время до их начала. Задержка с началом проведения АСР тем более опасна, гак как известно, что развитие пожара во времени носит нелинейный (нарастающий) характер, и эффективность проведения мероприятий по ликвидации (локализации) пожара впрямую зависит от того, насколько быстро они проводятся и в какой мере план их проведения соответствует действительной ситуации.
Исследования показали, что проблема может быть решена при помощи использования имеющейся космической информации (КИ) от метеорологических космических аппаратов (КА): «Метеор» (РФ) и 1МОАА (США), а также ресурсного спутника Минприроды «Ресурс». В 1996 году была разработана и утверждена Программа использования средств наблюдения и оперативного контроля ЧС в системе МЧС России и план основных мероприятий по ее реализации.
Программа была успешно решена и в период 1997-1999 годы была развернута территориально-распределенная система космического мониторинга МЧС России (СКМ ЧС), которая в настоящее время состоит из пяти пунктов приема и обработки КИ ( в городах Владивостоке, Красноярске, Москве, Вологде и Элисте).
Предполагалось, что основной задачей СКМ ЧС будет обеспечение
борьбы с крупномасштабными лесными, степными, торфяными и нефтяными пожарами. По этой причине СКМ изначально была ориентирована на информацию от обзорных метеорологических КА «Ресурс-Метеор» и N00А (США) и ресурсного КА «Ресурс-01». ВНИИ ГОЧС были разработаны методы автоматизированной тематической обработки КИ для выявления пожарной обстановки, разработаны методики экспресс-оценки последствий ЧС для сельского и лесного хозяйства.
Ежедневная обработка оперативно принимаемой космической информации позволяет получать данные о лесопожарной обстановке на всей территории Сибири, Якутии и Дальнего Востока (исключая северо-восточную оконечность Чукотки). Кроме того, регулярно поступают данные о горимости лесов приграничных районов Казахстана, Монголии и Северного Китая (рис.1).
Общие закономерности динамики развития пожароопасной ситуации на азиатской территории России хорошо иллюстрируются обстановкой на территории Сибирского регионального центра МЧС России в 2005 году (во многом повторяющаяся статистическая картина пространственно-временного распределения массовых очагов лесных пожаров за последнее десятилетие).
Всего за период с 10 марта по 11 октября средствами космического мониторинга на территории СРЦ было зарегистрировано 19 935 очагов пожаров, общая площадь, пройденная огнем, составила 9 926 901 га.
В табл. 1 приведены данные горимости «лидирующих» субъектов СРЦ и итоговые результаты по всей площади ответственности Красноярского пункта приема и обработки КИ. Коллективом сотрудников ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) разработан и сертифицирован МВК целый ряд методик тематической обработки данных космической съемки с целью обнаружения, краткосрочного прогноза развития и оценки последствий природных пожаров (рис. 2).
В результате постоянного совершенствования СКМ ЧС стала способна обеспечивать решение следующих задач:
•обнаружение лесных, степных, торфяных пожаров; аварий на нефтяных вышках и промышленных объектах, сопровождающихся пожарами;
• выявление последствий пожаров, в том числе лесных гарей и ущерба от пожаров.
Однако, в процессе эксплуатации СКМ ЧС выявились принципиальные недостатки системы, связанные с ориентировкой группировки гражданских космических аппаратов при ее создании на метеорологические и природно-ресурсные задачи. В результате из трех основных требований к информационной системе: объективность, достоверность и оперативность, в полной мере она отвечает только первому. Два других вступают в противоречие, т.к. невозможно одновременно обеспечить космическую съемку территории высокого временного и пространственного разрешения. Кроме того, не исключена полностью вероятность ложных тревог из-за стремления обнаружить пожар в его возможно более
ранней стадии и связанной с этим установкой низкого порога принимаемого сигнала.
Для качественного прогноза развития пожара и получения достаточно точных координат обнаруженного участка горения необходимо, но крайней мере, среднее пространственное разрешение и временное разрешение, не превышающее нескольких часов. Однако, чем выше пространственное разрешение, тем уже полоса обзора.
Снимки низкого разрешения получаются в открытом доступе с периодом, равным периоду появления КА в зоне видимости станции приема КИ, что соответствует примерно шестнадцати часам. Положение осложняется образовавшимся разрывом между возможностями СКМ ЧС (наземной части системы мониторинга) и состоянием отечественной группировки. Для регулярного получения снимков высокого разрешения по всей территории РФ необходима группировка в десятки КА, а на траектории в настоящее время находится один экспериментальный аппарат «Монитор-Э», и в ближайшие годы не планируется существенного увеличения отечественной группировки (табл.2). При этом, необходимо иметь в виду, что планы запуска традиционно срываются, запуски откладываются на годы или вовсе отменяются.
В тоже время, аппаратура СКМ ЧС обеспечивает прием и анализ космической информации, как от отечественных гражданских космических аппаратов, так и от зарубежных (табл. 3). Информация низкого пространственного разрешения (от нескольких сотен метров до километра) поступает в открытом доступе, а информацию высокого разрешения (от десятков до сотни метров) необходимо заранее заказывать и оплачивать. При этом срок выполнения заказа исчисляется неделями.
В настоящее время аппаратура СКМ ЧС способна принимать КИ от отечественных космических аппаратов и американских серий NOAA и EOS. Для получения снимков с остальных КА необходима лицензия, заказ (до двух недель) и оплата каждого кадра.
Если информацию среднего разрешения от зарубежных космических аппаратов можно получать с периодичностью до 1 суток, то с отечественными КА дело еще хуже. Так, период повторения орбиты перспективных спутников серии «Монитор» составляет 25 суток при обновлении информации через 6 суток (попадание в зону обзора приемной станции).
Примером актуааьности решения проблемы сокращения противоречия между пространственным и временным разрешением в системе космического мониторинга может служить сравнительный анализ результатов мониторинга лесных пожаров в Сибирском и Северо-Западном региональных центрах МЧС России. Общие по стране ежегодные потери леса от пожаров составляют миллионы гектаров. Средствами космического наблюдения низкого разрешения выявляются тысячи пожаров. Однако, в Сибирском регионе (статистика за 2004-2005 гг.) при выявлении примерно по 5000 пожаров их площадь составляет от нескольких сот до полутора тысяч га. Естественно,
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
їй»®
Читинская обл
■
л ••«-ж /
ф ; 5« , ч /
и' ' і і да ''’’/її*--
і'
ШІЖь
.VI?« .«к те* лі» .
- - "V
¡/ттп - . ч-
|:££ ’7У
'■04 ■
Китай
__
Ш_____ . ___________ _______И .. д—іШі ■ ~іД.
^ -У- 'Зглт-•*?»•- Тг •-1*<кУ *•*■
X • X /
&&Р*‘‘Ч&.-Уй. • Та мйЬіе*?*' /*, ■¡¡¿-¿■Ж-
ШйЩшМ "
¿»А' . ЗІЖ І'х
б)
Отдел приема и обработки космической информации ВНИИ ГОЧС г. Красноярск 2005 г.
Рис. I. Приграничный пожар на территории Читинской области РФ: а) 1, 2, 5каналы ЛУНИН; б) 3, 4, 5 каналы АУНИЯ
Рис. 2. Очаги пожарив с дымовыми шлейфами в летний пик пожарной опасности в Ямало-Ненецком автономном округе и
Красноярском крае 27 июля 2005 г.
Таблица 1
Распределение количества пожаров и площади возгораний по территории Сибирского регионального центра МЧС России в 2005 г.
Субъект Площадь, га Число ЛП Средняя площадь, га
Республика Бурятия 744 991 1347 553
Республика Саха (Якугия) 1 202 728 939 1281
Ханты-Мансийский а.о. 764 992 1769 432
Читинская обл. 1 272 582 2157 590
Ямало-Ненецкий а.о. 670 951 1060 633
Общий итог по СРЦ 10 774 592 21 814 494
Таблица 2
Ориентировочным план развития отечественной группировки мониторинговых КА
КЛ Назначение Разрешение Г оды запуска
«Электро» Г идромегеорологичсский, геостационарный Низкое 2007,2008, 2015
«Метеор-ЗМ» Г идромегеорологичсский Низкое 2006, 2008, 2009, 2012
«Метеор-МП» Г идрометеорологический Низкое 2015
«Вулкан» Ресурсный Низкое 2006, 2008, 2009
«Ресурс-П» Ресурсный Среднее, высокое 2009. 2012
« Ресурс-Д К» Радилокационный Среднее 2006
«Монитор-Э» Ресурсный Среднее 2006
«Аркон» Радилокационный Среднее 2007, 2009, 2015
Научно-технические разработки
Таблица 3
Параметры основных КА, находящихся на орбитах
КА (страна) Ширина полосы обзора, км Разрешение, м
«Ресурс-Метеор» (Россия) От 45 до 600 250
NOAA (США) 2200 1100
EOS-AI (США) 2000 250; 500
Landsat (США) 185 30
Spot-5 (Франция) От 180 ло 2200 20
IRS Р4 (Индия) От 80 до 770 5,8; 23; 188
«Метеор ЗМ» (Россия) 2600 3000
«Ресурс 01» (Россия) 800 5-25
«Монитор» (Россия) 890 60
гасить такие пожары, да еще в отдаленной местности, практически невозможно. Аварийно-спасательные работы сводятся к защите населенных пунктов путем установки барьеров на пути распространения пожара.
Иначе обстоит дело в более населенном Северо-Западном регионе. При количестве пожаров того же порядка, космическими средствами выявляется не более 10 %, остальное - службой Авилесохраны и наземными службами. В итоге, площадь возгорания не превышает 4-5 га.
При современном состоянии отечественной группировки КА невозможно кардинально улучшить создавшееся положение. Разрешение противоречия между пространственным и временным разрешением в рамках космического мониторинга может быть получено только увеличением на порядки группировки используемых для мониторинга космических аппаратов. Этот путь практически не осуществим в рамках одной страны из-за финансовых ограничений. Затраты не окупят возможный эффект.
Проблема может быть решена путем построения аэрокосмической системы мониторинга ЧС. Этот вариант предложен в «Федеральной целевой программе снижения рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года». ФЦП пункт 34 обязывает создание аэрокосмической системы мониторинга чрезвычайных ситуаций. Что же следует понимать под аэросоставляющей системы?
Авиация неспособна обеспечить непрерывное длительное наблюдение территории. Наиболее подходящим решением является использование аппаратов легче воздуха: аэростатов и дирижаблей, т.к. они практически безальтернативно могут быть носителями съемочной аппаратуры в высотных слоях атмосферы.
К преимуществам дирижаблей, обеспечивающим высокое разрешение с приемлемой оперативностью обновления информации, можно отнести следующие:
• очень большая грузоподъемность и дальность
беспосадочных перелётов;
• более высокая надежность и безопасность, чем у самолетов и вертолетов;
• исчисляемое месяцами, полностью перекрывающее сезон пожаров (от весны до осени) время нахождения на дежурстве.
Дирижаблю не требуется взлётно-посадочной полосы, более того, он может вообще не приземляться, а просто «зависнуть» над землёй (что, впрочем, осуществимо только при отсутствии ветра).
В отличие от космических объектов и авиации использование дирижаблей не сопровождается выделением веществ, вредных для экологического состояния атмосферы.
На высоте 21,4 км направления ветров имеют сезонный характер. На этой высоте во все времена года на средних широтах скорости ветров минимальны.
Запасать электроэнергию можно с помощью аккумуляторов и использовать ее для питания научной аппаратуры в ночное время.
Сегодня использование дирижаблей не является экзотикой. В настоящее время в мире существуют несколько проектов возрождения дирижаблей.
Белорусские военные предложили использовать аэростаты в качестве альтернативы самолетам-разведчикам типа американского «Авакса» или его российского аналога А-50. Военные обещают, что разработанные ими дирижабли будут в десятки раз дешевле существующих авиаразведчиков, а по уровню выполняемых задач ничем не уступят им.
Оболочка летательного аппарата будет сделана из специальных синтетических материалов, которые обеспечат не только прочность, но и малозаметность. Кроме того, российские и белорусские предприятия работают над созданием «специального оружия самозащиты - станций радиоэлектронного подавления прицелов наведения самолетов ударной авиации». В перспективе белорусские военные полагают получить в свои руки универсальный и, самое главное, недорогой авиаразведчик - аэростат-невидимку.
Американская компания «JP Aerospace» готовит к испытаниям 53-х метровый V-образный дирижабль «Ascender». Первый полёт предусматривает подъём на высоту около 30 км, далее - возвращение на землю. В случае успешных испытании Пентагон откроет финансирование на постройку крупного, 3-х километрового, V-образного дирижабля стратосферного назначения. Об этом сообщил бюллетень «Aviation Week».
В России дирижаблестроение пытались восстановить ещё в 1956 году на базе ОКБ-424 (г. Долгопрудный), но проект государственного развития не получил. В начале 1990-х это ОКБ, уже переименованное в Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики (ДКБА), начало разработку экспериментального полумягкого дирижабля «2ДП» с грузоподъёмностью около 3 тонн.
На авиасалоне в Фарнборо компании «Авгуръ» и «РосАэроСистемы» представили аэростаты военного назначения «Пума» и «Ягуар». Их объём составляет 8 900—11 800 м\ полезная нагрузка до 2,2 тонны. Способны совершать автономные полёты до 1 месяца, непрерывно выдерживая ветер силой до 12 баллов по шкале Бофорта (около 33 м/сек).
В перспективных разработках компании стратосферный дирижабль «Беркут» с рабочим потолком 20 000 м и автономностью в 6 месяцев, объёмом 500 000 м\ длиной 290 м, диаметром — 58 м. Он рассматривается, кактелекоммуникационная платформа с площадью покрытия до 500 000 км2. Среднесуточное энергопотребление составит около 300 кВт, для обеспечения которого будут служить солнчные батареи площадью 11 000 м2.
Российская компания «Аэроскан» в 2006 г. начинает использовать дирижабли для пространственнотехнического мониторинга местности и инженерных объектов.
Также дирижабли (в том числе и беспилотные) могут применяться (что уже планируется в Москве и Московской обл.) для патрулирования автодорог, наблюдения за общественным порядком на крупных массовых мероприятиях, в рекламных целях и т. д.
Снижение высоты наблюдения с 620-660 км («Ресурс») или 550 («Монитор») до 20 км при использовании стандартной спутниковой съемочной аппаратуры среднего разрешения МСУ-СК и аппаратуры высокого разрешения МСУ-Э пространственное разрешение соответственно 17 и 1,5 метра в полосе 30 км. Съемочная аппаратура метеорологического спутника Метеор обес-
печит среднее разрешение в полоседо 100 км.
Уровень сигнала принимаемого сенсорами дирижабля выше на 20-30 дБ, соответственно может быть обнаружен очаг пожара, а не разгоревшийся пожар на десятки и сотни га. Очаги пожаров можно ликвидировать, а разгоревшийся лесной пожар — только блокировать, не давая ему причинить вред жилым постройкам и экономическим объектам.
В то же время уровень сигнала, принимаемого наземными станциями, также увеличивается на 20—30 дБ, что позволяет оснащать субъекты РФ более простыми (облегченными) станциями приема и дополнительно сократить время передачи информации к потребителю.
Введение в систему мониторинга стратосферного сегмента обеспечивает возможность сохранения мил. га леса за счет раннего обнаружения очагов пожара.
Кроме перечисленных задач мониторинга ЧС, с помощью аппаратуры, установленной на дирижаблях, можно решать ряд задач в интересах иных ведомств и организаций:
• проводить зондирование земной поверхности на глубину до 100 м для изучения состояния разломов земной коры и подземных сооружений с целью предупреждения возможных катаклизмов;
• обеспечить наблюдение за состоянием продук-топроводов, транспортных артерий, плотин, дамб;
• контролировать концентрацию ядовитых газов в околоземном пространстве, экологически вредных и озоноразрушающих веществ в тропосфере и нижней стратосфере, концентрацию газов, вызывающих парниковый эффект;
• контролировать состояние лесов и наземных сооружений, сельхоз угодий, транспортных сетей и трубопроводов.
В свою очередь, заинтересованность в создании стратосферного сегмента системы мониторинга ряда ведомств и организаций делает реализуемой на этой основе федеральную систему мониторинга объектов, территорий и ресурсов, с точки зрения финансовых и материальных затрат.
В заключение необходимо отметить, что и до того, как будут созданы серийные стратосферные дирижабли, для мониторинга территории РФ можно использовать уже имеющиеся высотные (до 10 км) дирижабли. Таких дирижаблей может потребоваться в несколько раз больше, чем КА, но стоить они будут значительно дешевле, и могут приобретаться субъектами РФ за свои средства и в своих интересах, учитывающих местную специфику.
Литература
1. Ю.Л. Воробьев. В.А. Акимов. Ю.И. Соколов. Лесные пожары на территории России: состояние и проблемы. ДЭКС-ПРЕСС. - М.: 2004.
2. С.Г. Дорошенко, В.М. Резников. Автоматическое определение координат и масштабов лесных пожаров по космическим данным. Сб. НТТ «25 лет от идей до технологий» ИИЦ ВНИИ ГОЧС. — М.: 2001.
Научно-технические разработки
