CC BY
216
Раздел II. Морская робототехника
УДК 551.46.08
С.В. Мотыжев, Е.Г. Лунев, А.П. Толстошеев, А.А. Безгин, Е.М. Быков, Н.Ю. Юркевич
ДРИФТЕРНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ МОРСКИХ АКВАТОРИЙ
Представлен обзор работ, выполненных за период с 1999 по 2015 гг. по развитию и внедрению измерительно-информационных систем на основе дрифтерных технологий, где основным измерительным инструментом являются автономные дрейфующие буи (дрифтеры) со спутниковой связью и навигацией, оснащенные датчиками для контроля параметров приводной атмосферы, поверхности океана и водной толщи. Наше участие в работах началось с самого начала создания мировым метеорологическим и океанографическим сообществом глобальной океанской наблюдательной сети. Представлены основные научные и практически значимые результаты, достигнутые в создании методов контроля параметров среды, частных технических решений для измерения, сбора, обработки и передачи данных пользователям; а также комплексных решений, позволяющих создавать буйковые системы, обеспечивающие высокую надежность многолетних оперативных измерений в широком диапазоне природной изменчивости от тропиков до полярных регионов. Сотни различных буев запускались в Мировом океане по всем международным программам для решения задач численного моделирования погода и контроля изменчивости климата. За последние годы наши буи активно используются в Арктике, включая уникальные термические измерения в толще воды подо льдом. Разработки по ряду направлений опережают мировой уровень, что неоднократно подтверждалось в ходе совместных сопоставительных запусков буев от различных мировых разработчиков и производителей с последующим их контролем в действии. В настоящее время результаты исследований широко используются Российскими организациями для решения различных научных и прикладных задач.
Океанография; гидрометеорология; климат; погода; мониторинг; дрейфующие буи (дрифтеры); датчики; спутниковая связь и навигация.
S.V. Motyzhev, E.G. Lunev, A.P. Tolstosheev, А.А. Bezgin, E.M. Bykov,
N.U. Urkevich
THE DRIFTER MEASURING INFORMATIONAL SYSTEM FOR OPERATIONAL MONITORING OF MARINE AREAS
The article presents the results of investigations, fulfilled from 1999 to 2015, to progress and introduce the measuring - informational systems, built on basis of drifter technologies. The technologies mean use of different autonomous drifting buoys (drifters), equipped with satellite communication and navigation equipments and sensors to monitor the parameters of near-surface atmosphere, ocean surface and ocean water in depth. Our participation in the jobs has started since the beginning of efforts from the world meteorological and oceanographic community to build the global observing system. The main results of studies are the methods, developed to control the environmental parameters and the devices to measure, gather, process and transfer the data to users. It is shown that complex technical and technological solutions to create the different drifters provide many years operation with high reliability under wide environmental variability from tropical zones to polar areas. Hundreds of our drifters have been deployed in the World Ocean under all the international programs for numerous weather forecasting and climate varia-
bility study. For last years our drifters are widely used in the Arctic, including unique thermal measurements in the water layer below ice. Some developments have the level higher of world one that has been confirmed during different inter-comparison studies, where the drifters from main world designers and manufacturers were deployed in the Ocean with following monitoring of the buoys in operation. Currently the results of our investigations are used by different Russian organizations for decision of different scientific and applied tasks.
Oceanography; hydrometeorology; climate; weather; monitoring; drifting buoys (drifters); sensors; radio communication and navigation.
Измерительно-информационная система на основе дрифтерных технологий как средство оперативного контактного мониторинга является одним из основных сегментов глобальной буйковой сети наблюдения Мирового океана и приводной атмосферы. Структура системы показана на рис. 1.
Рис. 1. Измерительно-информационная система на основе дрифтерных технологий
Система содержит три сегмента. Наблюдательный сегмент системы включает различные свободно-плавающие автономные буи (дрифтеры), оснащенные измерительными датчиками морской среды и приводной атмосферы. Буи также оборудованы комплексами спутниковой связи и навигации, управляющей аппаратурой и батареями питания. Информационный сегмент системы включает канал спутниковой связи для передачи данных с буев на ИСЗ, канал для трансляции данных с ИСЗ на наземный пункт (пункты) приема и обработки данных и наземные каналы для передачи данных пользователям. Сегмент пользователей представляет научные и прогнозные центры, где данные оперативно используются для метеопрогноза и отсрочено для разных научных и прикладных задач.
Плановая численность современной дрифтерной наблюдательной сети составляет 1250 буев, примерно распределенных в океане с расчетом, что один буй находится в квадрате 500x500 км. Работоспособность всей системы в целом регулируется специальным рабочим органом (ББСР - Комиссия Сотрудничества по Буям Сбора Данных), созданным Межправительственной Океанографической Комиссией (МОК) и Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) [1]. Функции DBCP охватывают организационные, технологические и финансовые вопросы, связанные с функционированием глобальной буйковой сети. Развитие технологии в целом осуществляется четырьмя научными центрами: два в США (Скрипский океанографический институт и Национальная Администрация по Океану и Атмосфере - МОЛЛ), Канаде (Агентство по Окружающей Среде) и России (Морской гидрофизический институт). Разработка и изготовление буев производят три фирмы в США, одна в Канаде и одна в России (ООО «Марлин-Юг»). Распределение буев в сети по состоянию на август 2014 г. показано на рис. 2 [2].
Наше участие в развитии дрифтерных технологий и поддержании наблюдений в глобальной дрифтерной сети началось в 1999 г. после завершения основного этапа научной и технической интеграция в мировое дрифтерное сообщество. Основные научные результаты исследований, полученные в период с 1999 по 2015 гг., состоят в следующем.
■ Moored Buoys 1445) о Drifting Buoys (1532) О Tsunameter Buoys 143) i. Fixed F'latform (93)
Рис. 2. Расположение дрейфующих буев (1523 буя, обозначенных кружками) в глобальной сети по состоянию на август 2014 г.
1. Определены роль и место дрифтерных технологий среди других средств оперативных контактных наблюдений в океане. Выделены ключевые моменты, на которых было необходимо сосредоточить научно-технические усилия для выведения технологий на уровень, соответствующий мировому или его опережающий [3].
В табл. 1 дано сопоставление измерительных возможностей различных буйковых систем, которые способны проводить измерения и передавать данные в реальном времени. Другие автономные измерители, такие как поплавки Argo [4] и глайдеры [5], здесь не рассматриваются, поскольку они не относятся к системам для оперативных наблюдений.
Из табл. 1 видно, что поверхностные дрейфующие буи способны обеспечить измерение наиболее значимых гидрометеорологических параметров, в том числе в полярных и приполярных регионах. Все типы платформ, перечисленные в табл. 1, обеспечивают передачу данных в береговые центры в масштабе времени, близком к реальному. Результаты измерений оперативно используются для численного прогноза погоды и сохраняются в национальных и международных базах данных для последующего анализа, например, для изучения изменчивости климата.
Широкие информационно-измерительные возможности дрейфующих буев при приемлемой стоимости определили их место в системе наблюдений как самого массового средства оперативного контактного мониторинга деятельного слоя океана, динамики ледовых полей и приводной атмосферы.
Еще одним преимуществом является малозаметность дрейфующего буя на морской поверхности, что существенно снижает вероятность морского вандализма, чем страдают якорные буи, особенно в районах интенсивного судоходства (например, в Индийском океане). С другой стороны, буй не должен представлять опасность для мореходства, особенно маломерного. Поэтому конструкции дрифтеров разработаны с учетом обеспечения безопасности мореплавания.
Таблица 1
Измерительные возможности различных платформ
Тип Трассировка течений в деятельном слое Трассировка движения льда Работа в открытом океане Работа в Арктике Атмосферное давление Поверхностная. температура Профиль температуры в толще воды Профиль температуры подо льдом Параметры ветра Соленость
Дрейфующие буи + + + + + + + + +****
Якорные буи +* + + + + +....
Фиксированные платформы +* + + + + +....
+* - ограниченно, в основном на шельфе;
+ - только на чистой воде;
+ - не всеми типами дрейфующих буев;
+ - ограничено во времени из-за метрологической нестабильности из-за обрастания.
Особенность технологии состоит в том, что автономные дрейфующие буи являются в основном приборами разового применения, поскольку пока они работают, извлекать их из воды не имеет смысла, а если буй перестал работать, то найти его практически невозможно из-за того, что буй постоянно находится в движении. К тому же стоимость поисковых работ, как правило, намного превышает стоимость буя. Особенно это проявляется в высоких широтах, где для постановки буев привлекаются дорогие в эксплуатации суда ледового класса. Поэтому, чтобы технология была эффективной, буй должны иметь минимальную стоимость, но обеспечивать очень высокую надежность, чтобы сохранять работоспособность, исчисляемую годами при плавании в любых метеоусловиях. Проблема обеспечения надежности определяет особые требования к разработке технических решений корпусно-механических частей и программно-аппаратных средств, к технологии производства, а также к методам испытаний буев перед запуском.
2. Исследованы пути повышения надежности и пространственно-временного разрешения измерений. Созданы технические решения буев, обеспечивающих многолетнюю продолжительность надежной работы буев в любых метеорологических условиях [6].
Подтверждением того, что разработанные буи по продолжительности безотказной работы превышает уровень, демонстрируемый другими разработчиками, показывают результаты международного сопоставления дрифтеров, проведенного в 2010 г. NOAA, США.
На рис. 3 показан список участников соревнований и представлена информация о продолжительности работы буев.
Каждый участник должен был предоставить по 5 барометрических дрифтеров международного стандарта SVP-B [7]. Буи формировались в кластеры по 5 штук (по одному бую от каждого производителя) и запускались в различных регионах Мирового океана. Два буя ООО "Марлин-Юг" были развернуты с нарушением правил постановки буев (в выключенном состоянии), поэтому результаты сопоставления оценивались по трем оставшимся дрифтерам.
Из рис. 3 видно, что основная масса тестируемых буев вышла из строя задолго до продолжительности функционирования в 450 сут, определяемой как минимально необходимое время непрерывной работы дрифтеров в рамках глобальной дрифтерной сети. Дрифтеры ООО "Марлин-Юг" не только превысили этот показатель, но и обеспечили наибольшую продолжительность работы: один из буев проработал около четырех лет (1422 суток), два других в настоящее время (по состоянию на 10 февраля 2014 г) продолжают полноценно функционировать, проработав более 1600 сут. или 4,4 года. Таким образом, в реальном сопоставлении с лучшими образцами показано, что продолжительность работы наших буев превышает продолжительность работы зарубежных буев более чем в 3 раза. Показателен факт прекращения существования двух американских фирм (Technocean и Clearwater) после завершения международного сопоставления.
Рис. 3. Результаты международного сопоставления дрифтеров, организованного МОЛЛ в 2010 г., по состоянию на 10.02.15 г.
3. Изучены возможности расширения номенклатуры контролируемых параметров с одновременным увеличением объемов передаваемых данных. Исследования были направлены на развитие средств и методов измерений, способов передачи больших объемов информации, методов обработки информации с учетом их экономической эффективности.
Перспектива создания новых буев с расширенными измерительными возможностями заставила приступить к созданию новых информационных стандартов для передачи данных через спутниковые системы связи. Такая работа была выполнена для системы Argos-2 в 2004 г. совместно с Meteo-France и Скрипским институтом (США). Разработанный формат DBCP-M2 стал обязательным для применения всеми буями в сети [8]. Аналогичная работа была выполнена совместно с Meteo-France и Вашингтонским университетом (США) по созданию и внедрению информационных стандартов для системы Iridium [9].
По завершению этой работы стало возможным на основе технических характеристик уже существующих систем спутниковой связи увеличивать количество датчиков на буях, расширять динамический диапазон контролируемых параметров, сокращать временные интервалы между измерениями и включать данные с GPS/Глонасс приемников в состав передаваемого массива. В результате появилась возможность существенно увеличить пространственно-временное разрешение измерений.
4. Разработаны различные методы и технические решения управления плавучестью подводных буев для их использования в толще воды для решения различных научных и прикладных задач.
В основном эта работа была выполнена в период до 1999 г., когда был создан ряд принципиально новых методов и технических решений подводных дрифтеров, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения. Такие дрифтеры способны осуществлять циклические зондирования в толще воды либо зависать на заданной глубине и перемещаться в потоке течения. Обобщение этих разработок было сделано в монографии [10]. В качестве примера на рис. 4,а показан ныряющий буй, способный осуществлять до 15 циклов «погружение-всплытие» до глубины 150 м.
5. Исследованы и апробированы различные варианты передачи данных через спутниковые и радиоканалы, а также сотовые телекоммуникационные сети [11].
К началу 2000 г. стало ясным, что ни один из выпускаемых в мире на то время терминалов связи системы а^об-2 не удовлетворяет условиям экономичной работы в составе автономных дрейфующих буев. С этой целью был разработан свой терминал МТ105АМ [12], который прошел в 2004 г. успешную сертификацию в Европейском космическом агентстве (ЕКА). Внешний вид терминала показан на рис. 4,б.
Всего было выпущено более 1000 экземпляров этого терминала, которые нашли применение в буях собственного и зарубежного производства. Прибор показал очень высокую эффективность в работе. В немалой степени именно этим обусловлены результаты международного сопоставления дрифтеров. Однако, наиболее показателен абсолютный рекорд по продолжительности работы, показанный буем с идентификационным номером ГО67381. Этот буй, оснащенный терминалом связи а^о8-2, был запущен 2 декабря 2006 г. и перестал работать 2 августа 2014 г. после 2800 суток или 7,7 года непрерывной эксплуатации.
Рис. 4. Внешний вид ныряющего буя, оснащенного измерительной аппаратурой и терминалом для передачи данных через систему (а) и внешний вид
разработанного терминала связи МТ105АМ для дрейфующих буев (б)
На рис. 5 показана общая траектория дрейфа буя на основе среднесуточных координат. Отдельно выделен фрагмент траектории, построенный на основе всех доплеровских обсерваций, полученных по каждому пролету спутников.
а
б
Для решения ряда задач, особенно при работах в прибрежной зоне, применение спутниковой связи нерационально. Более того, система Argos-2 не в состоянии обеспечить оперативную передачу информации при изучении высокочастотных процессов, происходящих, например, на шельфе моря. Для решения этой задачи был создан специализированный буй, оснащенный терминалом GSM/GPRS, позволяющий проводить мониторинг в акваториях, охваченных покрытием мобильной связью GSM. С помощью таких буев проведен ряд научных экспериментов по изучению прибрежных течений вокруг Крымского полуострова.
Рис. 5. Траектория перемещения буя Argos-2 ID67381 в Южном и Тихом океанах
с рекордным показателем по продолжительности работы в 2800 суток
6. В рамках международных пилотных проектов DBCP Iridium и Argos-3 исследованы возможности применения новых систем спутниковой телеметрии для решения задач дрифтерных технологий.
Примерно в 2004-2005 гг. стало ясно, что возможности спутниковой системы связи Argos-2 близки к предельным режимам функционирования по таким важнейшим параметрам как пропускная способность, достижение неразрывности данных в любых метеоусловиях, обеспечение своевременности доставки. Потребность в увеличении пропускной способности появилась в связи с созданием новых буев с увеличенным количеством датчиков, использованием приемников GPS в составе дрифтеров, необходимостью повысить пространственно-временное разрешение измерений. Система Argos-2 не решала эти задачи.
Под неразрывностью данных понимается, что каждое измерение, сделанное на буе, должно быть доставлено пользователям без потерь, несмотря на воздействие таких негативных факторов, как уход буя под воду при наличии волнения, когда нарушается радиоконтакт между буем и спутниковыми связной и навигационной группировками; а также воздействием радиопомех.
К тому времени был развернут спутниковый сегмент новой системы связи Ar-gos-3 [13] и появилась возможность использовать систему Iridium в формате коротких SBD сообщений [14]. В результате DBCP объявило о создании двух пилотных проектов по испытанию возможностей этих двух систем. Были выделены средства на разработку и запуск дрифтеров, оснащенных соответствующей аппаратурой.
В проектах участвовали все разработчики, указанные на рис. 3, однако действующие терминалы были созданы участниками под номерами 2, 4 и 5. Сразу необходимо отметить, что испытание буев, оснащенных аппаратурой для работы через систему Argos-3, не показало существенных отличий по сравнению с Argos-2. Поэтому приводить эти результаты нет смысла.
Контроллер для терминала Iridium, разработанный нами, прошел сертификацию в ЕКА и был допущен для применения в буях. Запуски буев по проекту осуществлялись в 2009 - 2010 гг. Было показано, что время работы наших буев, оснащенных терминалами Iridium и GPS-приемниками, достигает 1400 суток, что более чем на 50% превышает аналогичный показатель других разработчиков. В результате проведения испытаний было показано, что буи, работающие через систему Iridium, обеспечивают выполнение требований, обозначенных выше, для работы с буями новых поколений [15]. На рис. 6 показана траектория Iridium/GPS буя WMO17526, запущенного в Южном океане, с подробным фрагментом, построенным на основе часовых GPS координат.
Рис. 6. Траектория движения буя Iridium/GPS дрифтера (WMO17526) в Южном
океане в течение 1250 суток
7. Разработаны алгоритмы передачи данных регулярных измерений через спутниковые телекоммуникационные системы без потерь в условиях длительного нахождения буя под водой, когда теряется связь между буем и спутниковой группировкой [16].
В доплеровских системах спутниковой связи, к которой принадлежит Argos-2, используется частотно-временная селекция сигналов при приеме информации на борту спутников. Временная селекция предполагает, что данные передаются с большой скважностью, при этом 90-сек период между посылками изменяется произвольным образом в пределах 10 секунд. Сделано это для того, чтобы избежать одновременного излучения буев, находящихся в зоне радиовидимости.
Для исключения передачи данных при нахождении буя под водой в систему управления работой передатчика Argos-2 введен дополнительный сигнал управления от датчика заныривания. При этом также учитывается случайный характер изменения периода между посылками. В результате снижено потребление от батарейного источника и увеличено время жизни буя до рекордных значений, как показано на рис. 5.
8. Разработана и реализована уникальная дрифтерная технология получения оперативных систематических данных о термодинамической изменчивости верхнего слоя океана, в том числе под ледовыми полями полярных регионов. К настоящему времени на основе термопрофилирующих дрифтеров, разработанных в МГИ, в рамках международных проектов создана и развивается подсистема мониторинга термической изменчивости верхнего слоя океана [17, 18, 19, 20].
Созданы уникальные, не имеющие мировых аналогов, дрейфующие буи с термисторными косами, в которых связь между датчиками температуры, распределенными вдоль косы, осуществляется на основе однопроводной технологии. Разработаны две версии: морской буй с подводным парусом и ледовый буй со специальной косой, способной работать в условиях вмерзания в лед. Внешний вид обеих версий показан на рис. 7.
б
Рис. 7. Структура буев с термокосами для изучения термической активности в толще воды: а - морская версия; б - ледовая версия
На рис. 8 показаны результаты охлаждения (авг-дек) и прогрева (янв-апр) верхнего деятельного слоя в Черном море в 2007-2008 гг., полученные от морских буев с термисторными косами.
Рис. 8. Изучение прогрева и выхолаживания деятельного слоя Черного моря с помощью морской версии буя с термисторной косой
а
На основе термисторных буев ледовой версии в рамках Международной Арктической Буйковой Программы (1АВР) в 2010 г. была организована специальная подпрограмма ЦрТетро [21] для изучения термической активности подо льдом. В программе в основном используются наши буи, поскольку зарубежных аналогов по совокупности характеристик нет. На рис. 9 показана процедура постановки буя в отверстие, просверленное во льду.
На рис. 10,а показано расположение буев в Арктике по состоянию на 8 февраля 2015 г. [22], а также термическая картина выхолаживания воды подо льдом в ноябре-декабре 2014 г. (рис. 10,б).
Рис. 9. Процедура постановки буя с термисторной косой длиной 60 м в отверстие, просверленное во льду
б
Рис. 10. Расположение буев с термокосами в Арктике по состоянию на 15.02.2015 г. и термическая структура в толще воды до глубины 60 м
а
9. Решена проблема длительных надежных измерений АД в условиях, когда буй продолжительное время находится под водой, погружаясь на глубину до 10 м при сильных штормах. Возможная продолжительность измерений барометрических дрифтеров составила более 5 лет, в том числе в сложных ветровых и волновых условиях Южного океана. Кроме того, сохраняется качество измерений при длительном нахождении буя в широком диапазоне температур, характерных для тропиков и полярных районов, а также исключает появление эффекта Бернулли при сильных ветрах [23].
10. Разработан способ восстановления параметров течений с повышенным пространственно-временным разрешением по координатам, полученных допле-ровским методом. Допплеровские координаты получаемые через системы Argos-2 и особенно Iridium отличаются большой ошибкой в определении координат. Так, среднеквадратичное отклонение для Argos-2 доходит до 1000 м, а для Iridium - до 10 км. Разработанный способ на основе фильтра Калмана дает возможность восстановления с улучшенным разрешением траектории движения буя, а также определения скорости и направления дрейфа [24]. На рис. 11,а показаны траектории движения буя, построенные на основе линейной интерполяции допплеровских координат через систему Argos и результаты интерполяции этих координат с использованием фильтра Калмана. На рис. 11,б видно, что результаты интерполяции сопоставимы с траекторией, построенной по GPS координатам.
б
Рис. П. Траектории движения буя, восстановленная на основе линейной интерполяции на основе Argos-2 допплеровских координат и траектория востановленныя на основе фильтра Калмана (а) и результаты построения траекторий движения буя на основе линейной интерполяции, калмановской фильтрайии и GPS координат (б)
11. Разработана и реализована конструкция дрифтера, обеспечивающая его автоматическое развертывание при сбросе на ходу судна с высоты до 10 метров на скорости до 20 узлов [25]. Внешний вид буя в собранном виде и после сброса в воду показан на рис. 12.
Рис. 12. Внешний вид собранного буя автоматического развертывания после сброса с идущего судна и вид буя после попадания в воду
а
12. Разработаны и реализованы радиосвязная, навигационная, измерительная и управляющая электроника, обеспечивающая многолетнее автономное функционирование различных модификаций дрифтеров в условиях влияния воздействующих факторов, характерных для эксплуатации в любых, включая полярные, регионах Мирового океана [26]. Стендовые испытания нашего буя в Арктических условиях произведенные в 2013-2015 гг. на геофизической станции США на севере Аляски (рис. 13) показали, что буи обеспечивают время работы не менее 2-х лет. Наш буй обозначен желтой стрелкой.
Рис. 13. Двухлетнее испытание нашего буя на севере Аляски (2013-2015)
13. В ходе многолетних работ (1999-2015 гг.) изучены особенности изменчивости течений и теплопереноса в Черном море [27-30]. Дрифтерное «спагетти» от 94 дрифтеров, запущенных в море показано на рис. 14. Данные измерений широко используются для решения различных научных и прикладных задач.
28.00 30.00 32.00 34.00 36.00 38.00 40.00
Рис. 14. Дрифтерное «спагетти», построенное на основе данных от запуска 94 дрифтеров в период с 1999 по 2014 гг.
Практическая значимость работ заключается в следующем:
1. Разработаны, испытаны и запущены в производство около ста различных вариантов буйковой техники, причем ряд буев не имеет мировых аналогов.
2. Разработанные буйковые терминалы международных спутниковых систем связи Argos-2, Argos-3 и Iridium прошли одобрение типа в Европейском космическом агентстве, запущены в производство и используются как для наших буев, так и других задач.
3. Измерительные каналы прошли сертификацию в Meteo-France (Франция) и признаны пригодными для работ в составе буев, предназначенных для глобальной дрифтерной сети.
4. Буи в целом прошли испытания в различных регионах Мирового океана, включая Южный океан, известный своими суровыми погодными условиями. Достигнутая продолжительность работы от 5 до 8 лет в 3-4 раза превышает аналогичный показатель зарубежных производителей.
5. Сотни буев использовались во всех международных программах и ряде национальных, что занимает примерно 10% от годовой потребности для поддержания дрифтерной сети.
6. За последние три года значительно активизировались работы с Российскими организациями, задействованными в работах по освоению Арктики и прежде всего под задачи ТЭК.
7. Для обеспечения этих работ создана специальная серия буев, предназначенных для длительной работы при низких температурах. Буи успешно прошли ресурсные испытания на геофизической станции США на севере Аляски.
8. Буи используются для изучения движения льдов, как во всей полярной шапке, так и в прибрежных регионах, например, в Обской губе и в районе о-ва Новая Земля. Разработана и применяется буйковая технология маркировки айсбергов. Созданы буи парашютного развертывания для изучения жизни полярных животных, а также трассировки нефтяных пятен.
9. В рамках трансфера технологии разработаны, испытаны и запущены в производство наземные буйковые станции для контроля уровня грунтовых вод под нефтегазопроводами, проходящими в труднодоступных местах.
10. Созданы якорные буи мареографы для контроля ветровых сгонно-нагонных явлений, приливных и отливных течений, территорий, подверженных подтоплениям.
11. Разработана не имеющая мировых аналогов технология контроля термической изменчивости в Арктике в толще воды подо льдом.
12. Созданы специальные буи с термокосами, обеспечивающие синхронные подледные измерения по всей акватории Северного Ледовитого океана с передачей данных измерений в масштабе времени, близком к реальному. Буи также измеряют толщину льда, атмосферное давление, температуру воздуха. Обеспечивается трассировка буев через GPS/Глонасс возможности для изучения движения льдов.
13. Начиная с 2012 г. на основе наших буев обеспечена поддержка круглогодичной работы наблюдательной сети в рамках Международной Арктической Буйковой Программы (1АВР). Подтверждена возможность непрерывной работы в полтора года, с доставкой данных ежечасных измерений с задержкой не более 10 минут.
14. Через Управление по Навигации и Океанографии ВМФ России обеспечен оперативный доступ к данным с этих буев для моряков Северного флота. Проведено обучение по использованию данных.
15. Обсуждено возможное применении разработанных технологий для эксплуатационных задач, решаемых на космодроме «Восточный».
Дальнейшие направления исследований будут направлены на создание систем контроля и прогноза изменчивости гидрометеорологических и океанографических параметров в приводной атмосфере, на поверхности воды и в толще воды для решения различных прикладных задач. При этом буйковые данные дают оперативной контроль, а прогноз изменчивости обеспечивается на основе численного моделирования состояния среды, где буйковые данные используются для калибровки и валидации продуктов моделирования.
Научные и практические результаты исследований, выполненных в период
1999 по 2015 гг. оказались востребованными в России для решения многих фундаментальных и прикладных направлениях работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 30th DBCP Session, Final Report [Электронный ресурс] // DBCP-30-final-report. 27-31 October 2014, Weihai, China. - Режим доступа: http://jcomm.info/index.php?option= com_oe&task=viewDocumentRecord&docID=14440 (дата обращения 16.02.15).
2. Status of global drifter array [Электронный ресурс] // The JCOMM in-situ observing platforms support center. - Режим доступа: http://www.aoml.noaa.gov/phod/graphics/ dacdata/globpop. gif (дата обращения 16.02.15).
3. Еремеев В.Н., Мотыжев С.В. Дрифтерный мониторинг морей и океанов. Развитие морских наук и технологий в Морском гидрофизическом институте за 75 лет / Под ред. В.Н. Еремеева. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. - С. 544-584.
4. The official site of Argo project [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.argo.ucsd.edu/About_Argo.html (дата обращения 17.02.15).
5. Suberg L. Assessing the potential of autonomous submarine gliders for ecosystem monitoring across multiple trophic levels (plankton to cetaceans) and pollutants in shallow shelf seas [Электронный ресурс] / L. Suberg [et al.] // Methods in Oceanography. - 2014. - Vol. 10.
- P. 70-89. - Режим доступа: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2211122014000267?np=y (дата обращения 17.02.15).
6. Motyzhev S., Lunev E., Tolstosheev A. Increasing of effectiveness and reliability of data from drifting buoys // WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 45. Presentation at the DBCP Scientific and Technical Workshop Fremantle. - Australia, 2 October 2012. - 23 p.
7. Sybrandy A.L. Global drifter programme. Barometer drifter design reference [Электронный ресурс] // DBCP Report. - August, 2009. - No. 4. - Режим доступа: http://www.jcommops.org/ dbcp/community/standards.html (дата обращения 09.02.15).
8. Sybrandy A.L. SVP Barometer Drifter Message Format [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.aoml.noaa.gov/phod/dac/svpbform.html (дата обращения 17.02.15).
9. Recommended Irdium SBD dataformats [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://esurfmar.meteo.fr/doc/o/db/others/DB_Iridium_foimats.pdf (дата обращения 16.02.15).
10. Смирнов Г.В. [и др.]. Океанология: Средства и методы океанологических // Междунар. ассоц. акад. наук; РАН; Нац. Акад. наук Украины. - М.: Наука, 2005. - 795 с.
11. Лунев Е.Г. [и др.]. Дрифтерная измерительно-информационная система для мониторинга течений в прибрежной зоне моря // Морской гидрофизический журнал. - 2010. - № 5.
- С. 50-62.
12. CNES Argos Platform Transmitter Terminal Certificate for the MT105A PTT from 30 October 2004.
13. Bernard Yann. Exciting results for the Argos-3 DBCP pilot project // Argos forum. - 2010.
- № 69. - P. 11.
14. Lunev E., Motyzhev S., Tolstosheev A. Technical Developments in 2009-2010 according to the DBCP Pilot Projects Plans // WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 39 (2011). Presentation at the DBCP Scientific and Technical Workshop.
- Oban, United Kingdom, 27 September 2010. - P. 17.
15. Мотыжев С.В., Лунев Е.Г., Толстошеев А.П., Литвиненко С.Р. Результаты применения спутниковой системы связи Iridium для задач дрифтерного обеспечения работ в океане // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа: Сб. научн. тр. / НАН Украины, МГИ, ИГН, ОФ ИнБЮМ. - Севастополь, 2010. - Вып. 23. - С. 217-227.
16. Lunev E., Motyzhev S., Tolstosheev A. Review of Investigations in 2010-2011 to Progress Drifter Technology // WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 43 (2011).Presentation at the DBCP Scientific and Technical Workshop. - Geneva, Switzerland, 26 September 2011. - P. 17.
17. Толстошеев А.П., Лунев Е.Г., Коротаев Г.К., Мотыжев С.В. Термопрофилирующий дрейфующий буй // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - 2004. - Вып. 11. - С. 143-154.
18. Толстошеев А.П., Лунев Е.Г., Мотыжев В.С. Развитие средств и методов дрифтерной технологии применительно к проблеме изучения Черного моря // Океанология. - 2008.
- Т. 48, № 1. - С. 149-158.
19. Толстошеев А.П., Лунев Е.Г., Мотыжев В.С. Исследование верхнего слоя Черного моря с помощью термопрофилирующих дрейфующих буев // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2008. - Вып. 16. - С. 116-123.
20. Толстошеев А.П. Использование термопрофилирующих дрейфующих буев для изучения верхнего слоя Черного моря // Сб. науч. тр. "Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа". - Севастополь, 2011.
- Вып. 24. - С. 273-278.
21. Steele M., Rigor I. Measuring of the Upper Layer Temperature of the Arctic Ocean. Results from the Third NSF AON Proncipal Investigators (PI) Meeting. - Boulder, 30 November -2 Decamber 2009. - P.102-104.
22. UpTempO. Measuring the Upper layer Temperature of the Polar Oceans [Электронный ресурс].
- Режим доступа: http://psc.apl.washington.edu/UpTempO/ (дата обращения 10.02.15).
23. Лунев Е.Г. Автоматическая коррекция погрешности измерителей атмосферного давления для SVP-B дрифтеров // Вестник СевГТУ. Сер. Информатика, электроника, связь.
- 2003. - Вып. 47. - С. 204-208.
24. Толстошеев А.П. Метод восстановления траекторий дрейфующих буев // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2007. - Вып. 15. - С. 392-396.
25. Мотыжев С.В., Толстошеев А.П., Лунев Е.Г. Развитие дрифтерных технологий и их внедрение в практику океанографических наблюдений в Черном море и Мировом океане // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2011. - Вып. 24. - С. 259-272.
26. Motyzhev S., Lunev E., Tolstosheev A. Increasing of Effectiveness and Reliability of Data from Drifting Buoys [Электронный ресурс] / S. Motyzhev, // WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 45. Proceedings at the DBCP Scientific and Technical Workshop. - Fremantle, Australia, 2 October 2012. - P. 23. - Режим доступа: ftp://ftp.wmo.int/Documents/PublicWeb/amp/mmop/documents/dbcp/Dbcp45-Workshop-2012/Programme.html (дата обращения 10.02.15).
27. Зацепин А.Г. [и др.]. Вихревые структуры и горизонтальный водообмен в Черном море // Комплексные исследования северо-восточной части Черного моря. - 2002. - С. 55-81.
28. Мотыжев С.В. [и др.]. Особенности дрифтерного мониторинга Черного моря / Под ред. Иванова В.А. // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа: Сб. научн. тр. - НАН Украины, МГИ, ИГН, ОФ ИнБЮМ. - Севастополь, 2004. - Вып. 11 - С. 122-131.
29. Журбас В.М. [и др.]. Циркуляция вод и характеристики разномасштабных течений в верхнем слое Черного моря по дрифтерным данным // Океанология. - 2004. - Т. 44, № 1.
- C. 34-48.
30. Poulain P.M., Barbanti R., Motyzhev S., Zatsepin A. Statistical description of the Black Sea near-surface circulation using drifters in 1999 - 2003 // Deep-Sea Research. Part I. - 2005.
- Vol. 52. - P. 2250-2274.
31. Korotaev G.K. [et al.] Contribution of the Black Sea observing system to ECOOP // Ocean Sci. Discuss. - 2011. - № 8.- P. 1695-1722.
32. Мотыжев С.В., Толстошеев А.П., Лунев Е.Г. Системы оперативных контактных наблюдений в прибрежной зоне // Мониторинг прибрежной зоны на Черноморском экспериментальном подспутниковом полигоне. - Севастополь: Морской гидрофизический институт, 2014. - С. 104-118.
REFERENCES
1. 30th DBCP Session, Final Report, DBCP-30-final-report. 27 - 31 October 2014, Weihai, China. Available at: http://jcomm.info/index.php?option=com_oe&task= viewDocumentRecord& docID=14440 (Accessed 16 February 15).
2. Status of global drifter array, The JCOMM in-situ observing platforms support center. Available at: http://www.aoml.noaa.gov/phod/graphics/ dacdata/globpop.gif (Accessed 16 February 2015).
3. Eremeev V.N., Motyzhev S. V. Drifternyy monitoring morey i okeanov. Razvitie morskikh nauk i tekhnologiy v Morskom gidrofizicheskom institute za 75 let [Drift monitoring of the seas and oceans. The development of marine Sciences and technologies in Marine hydrophysical Institute for 75 years]. Sevastopol': MGI NAN Ukrainy, 2004, pp. 544-584.
4. The official site of Argo project. Available at: http://www.argo.ucsd.edu/About_Argo.html (Accessed 17 February 2015).
5. Suberg L. [et al.] Assessing the potential of autonomous submarine gliders for ecosystem monitoring across multiple trophic levels (plankton to cetaceans) and pollutants in shallow shelf seas, Methods in Oceanography, 2014, Vol. 10, pp. 70-89. Available at: http://www.sciencedirect.com/ sci-ence/article/pii/ S2211122014000267?np=y (Accessed 17 February 2015).
6. Motyzhev S., Lunev E., Tolstosheev A. Increasing of effectiveness and reliability of data from drifting buoys, WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 45. Presentation at the DBCP Scientific and Technical Workshop Fremantle. Australia, 2 October 2012, 23 p.
7. Sybrandy A.L. Global drifter programme. Barometer drifter design reference, DBCP Report, August, 2009, No. 4. Available at: http://www.jcommops.org/dbcp/community/standards.html (Accessed 09 February 2015).
8. Sybrandy A.L. SVP Barometer Drifter Message Format. Available at: http://www.aoml.noaa.gov/ phod/dac/svpbform.html (Accessed 17 February 2015).
9. Recommended Irdium SBD dataformats. Available at: http://esurfmar.meteo.fr/doc/o/db/ oth-ers/DB_Iridium_formats.pdf (Accessed 16 February 2015).
10. Smirnov G.V. [i dr.]. Okeanologiya: Sredstva i metody okeanologicheskikh [Oceanology: the Means and methods of Oceanographic], Mezhdunar. assots. akad. nauk; RAN; Nats. Akad. nauk Ukrainy. Moscow: Nauka, 2005, 795 p.
11. Lunev E.G. [i dr.]. Drifternaya izmeritel'no-informatsionnaya sistema dlya monitoringa techeniy v pribrezhnoy zone morya [Drift measurement and information system for the monitoring of currents in the coastal area], Morskoy gidrofizicheskiy zhurnal [Marine hydrophysical journal], 2010, No. 5, pp. 50-62.
12. CNES Argos Platform Transmitter Terminal Certificate for the MT105A PTT from 30 October 2004.
13. Bernard Yann. Exciting results for the Argos-3 DBCP pilot project, Argos forum, 2010, No. 69, pp. 11.
14. Lunev E., Motyzhev S., Tolstosheev A. Technical Developments in 2009-2010 according to the DBCP Pilot Projects Plans, WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 39 (2011). Presentation at the DBCP Scientific and Technical Workshop. Oban, United Kingdom, 27 September 2010, pp. 17.
15. Motyzhev S.V., Lunev E.G., Tolstosheev A.P., Litvinenko S.R. Rezul'taty primeneniya sputnikovoy sistemy svyazi Iridium dlya zadach drifternogo obespecheniya rabot v okeane [The results of the application of satellite communications Iridium for tasks drift works in the ocean], Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shelfovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa: Sb. nauchn. tr. [Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources: Collection of scientific works]. NAN Ukrainy, MGI, IGN, OF InBYuM. Sevastopol, 2010, Issue 23, pp. 217-227.
16. Lunev E., Motyzhev S., Tolstosheev A. Review of Investigations in 2010-2011 to Progress Drifter Technology, WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 43 (2011).Presentation at the DBCP Scientific and Technical Workshop. Geneva, Switzerland, 26 September 2011, pp. 17.
17. Tolstosheev A.P., Lunev E.G., Korotaev G.K., Motyzhev S.V.Termoprofiliruyushchiy dreyfuyushchiy buy [Thermoprofile drifting buoy], Ekologicheskaya bezopasnost'pribrezhnoy i shelfovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa [Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources], 2004, Issue 11, pp. 143-154.
18. Tolstosheev A.P., Lunev E.G., Motyzhev V.S. Razvitie sredstv i metodov drifternoy tekhnologii primenitel'no k probleme izucheniya Chernogo morya [The development of tools and methods drifter technology applied to the problem of studying the Black sea], Okeanologiya [Oceanol-ogy], 2008, Vol 48, No. 1, pp. 149-158.
19. Tolstosheev A.P., Lunev E.G., Motyzhev V.S. Issledovanie verkhnego sloya Chernogo morya s pomoshch'yu termoprofiliruyushchikh dreyfuyushchikh buev [A study of the Black sea upper layer using drifting buoys thermoprofile], Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa [Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources]. Sevastopol: MGI NAN Ukrainy, 2008, Issue. 16, pp. 116-123.
20. Tolstosheev A.P. Ispol'zovanie termoprofiliruyushchikh dreyfuyushchikh buev dlya izucheniya verkhnego sloya Chernogo morya [Use thermoprofile drifting buoys for the study of the Black sea upper layer], Sb. nauch. tr. "Ekologicheskaya bezopasnost'pribrezhnoy i shel'fovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa" [Collection of scientific papers "Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources"]. Sevastopol, 2011, Issue 24, pp. 273-278.
21. Steele M., Rigor I. Measuring of the Upper Layer Temperature of the Arctic Ocean. Results from the Third NSF AON Proncipal Investigators (PI) Meeting. Boulder, 30 November -2 Decamber 2009, pp. 102-104.
22. UpTempO. Measuring the Upper layer Temperature of the Polar. - Режим доступа: Available at: http://psc.apl.washington.edu/UpTempO/ (Accessed 10 February 2015).
23. Lunev E.G. Avtomaticheskaya korrektsiya pogreshnosti izmeriteley atmosfernogo davleniya dlya SVP-B drifterov [Automatic correction of errors of measuring atmospheric pressure for SVP-B drifters], VestnikSevGTU. Ser. Informatika, elektronika, svyaz' [Bulletin of Sevgtu. Series: computer science, electronics, communication], 2003, Issue 47, pp. 204-208.
24. Tolstosheev A.P. Metod vosstanovleniya traektoriy dreyfuyushchikh buev [Method for reconstructing the trajectories of drifting buoys], Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa [Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources]. Sevastopol: MGI NAN Ukrainy, 2007, Issue 15, pp. 392-396.
25. Motyzhev S.V., Tolstosheev A.P., Lunev E.G. Razvitie drifternykh tekhnologiy i ikh vnedrenie v praktiku okeanograficheskikh nablyudeniy v Chernom more i Mirovom okeane [The development of the drift-net technologies and their implementation in practice Oceanographic observations in the Black sea and the World ocean], Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa [Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources]. Sevastopol: MGI NAN Ukrainy, 2011, Issue 24, pp. 259-272.
26. Motyzhev S., Lunev E., Tolstosheev A. Increasing of Effectiveness and Reliability of Data from Drifting Buoys, WMO-IOC Data Buoy Cooperation Panel. DBCP Technical Document No. 45. Proceedings at the DBCP Scientific and Technical Workshop. - Fremantle, Australia, 2 October 2012, pp. 23 Available at: ftp://ftp.wmo.int/Documents/PublicWeb/amp/mmop/ documents/dbcp/Dbcp45-Workshop-2012/Programme.html (Accessed 10 February 2015).
27. Zatsepin A.G. [i dr.]. Vikhrevye struktury i gorizontal'nyy vodoobmen v Chernom more [Vortex structures and horizontal water exchange in the Black sea], Kompleksnye issledovaniya severo-vostochnoy chasti Chernogo moray [Complex researches of a northeast part of the Black Sea], 2002, pp. 55-81.
28. Motyzhev S. V. [i dr.]. Osobennosti drifternogo monitoringa Chernogo morya [Features drift monitoring of the Black sea], Under the edit. Ivanova V.A., Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoy i shel'fovoy zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa: Sb. nauchn. tr. [Ecological safety of coastal and shelf zones and complex use of shelf resources: Collection of scientific works]. NAN Ukrainy, MGI, IGN, OF InBYuM. - Sevastopol', 2004, Issue 11, pp. 122-131.
29. Zhurbas V.M. [i dr.]. Tsirkulyatsiya vod i kharakteristiki raznomasshtabnykh techeniy v verkhnem sloe Chernogo morya po drifternym dannym [Water circulation and characteristics of multi-scale currents in the upper layer of the Black sea drift data], Okeanologiya [Oceanol-ogy], 2004, Vol. 44, No. 1, pp. 34-48.
30. Poulain P.M., Barbanti R., Motyzhev S., Zatsepin A. Statistical description of the Black Sea near-surface circulation using drifters in 1999 - 2003, Deep-Sea Research, Part I, 2005, Vol. 52, pp. 2250-2274.
31. Korotaev G.K. [et al.] Contribution of the Black Sea observing system to ECOOP, Ocean Sci. Discuss, 2011, No. 8, pp. 1695-1722.
32. Motyzhev S.V., Tolstosheev A.P., Lunev E.G. Sistemy operativnykh kontaktnykh nablyu-deniy v pribrezhnoy zone [System operational contact of observations in the coastal zone], Monitoring pribrezhnoy zony na Chernomorskom eksperi-mental'nom podsputnikovom poligone [Monitoring of the coastal zone of the black sea pilot ground truth polygon]. Sevastopol: Morskoy gidrofizicheskiy in-stitut, 2014, pp. 104-118.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.Х. Пшихопов.
Мотыжев Сергей Владимирович - Морской гидрофизический институт; e-mail: [email protected]; 299011, г. Севастополь; ул. Капитанская, 2; тел. (факс): 8692540450; ведущий научный сотрудник; д.т.н.
Лунев Евгений Геннадьевич - e-mail: [email protected]; научный сотрудник; к.т.н.
Толстошеев Алексей Петрович - e-mail: [email protected]; старший научный сотрудник; к.т.н.
Безгин Александр Александрович - e-mail: [email protected]; инженер-технолог 1 категории; аспирант Севастопольского государственного университета.
Быков Егор Максимович - e-mail: [email protected]; инженер-технолог 1 категории; аспирант.
Юркевич Наталья Юрьевна - e-mail: [email protected]; инженер.
Motyzhev Sergey Vladimirovich - Marine Hydrophysical Institute; e-mail: [email protected]; 2, Kapitanskaya street, Sevastopol, 299011, Russia; phone (fax): +7692540450; leading researcher of MHI; dr. of eng. sc.
Lunev Evgeniy Gennad'evich - e-mail: [email protected]; research associate of MHI; cand. of eng. sc.
Tolstosheev Aleksey Petrovich - e-mail: [email protected]; senior researcher of MHI; cand. of eng. sc.
Bezgin Aleksandr Aleksandrovich - e-mail: [email protected]; engineer of MHI; postgraduate student of Sevastopol State University.
Bykov Egor Maksimovich - e-mail: [email protected]; engineer of MHI; postgraduate student MHI.
Yurkevich Natal'ya Yur'evna - e-mail: [email protected]; engineer of MHI.
УДК 519.876.2: 519.876.5
Б.Д. Аминев, С.К. Данилова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАКЕТА OPENFOAM ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОГО ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА*
Рассматривается методика работы со свободно распространяемым пакетом вычислительной гидродинамики ОрвпРОЛМ, предоставляющим мощный набор утилит для проведения гидро- и аэродинамических экспериментов по моделированию взаимодействия среды с объектом исследования. Рассматривается как общий подход к проведению подоб-
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №15-08-05133а.
