Концепция построения аэрокосмической системы мониторинга природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Научно-технические разработки

УДК 614.8:519.8+504.064+528

В.М. Резников, к.т.н. (ФГУ ВНИИ ГО ЧС (ФЦ))

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

V. Reznikov

CONCEPT OF AERODYNAMIC SYSTEM CREATION FOR NATURAL AND TECHNOGENIC EMERGENCY SITUATIONS

В статье рассматривается проблема существенного увеличения эффективности системы космического мониторинга (СКМ ЧС) путем ее дополнения стратосферной составляющей.

Article depicts problem of substantial increase of space monitoring efficiency of emergency situations through

stratosphere component addition.

В 1996 г. по инициативе руководства МЧС России и непосредственном участии ВНИИ ГОЧС был разработан и введен ГОСТ Р 22.1.04-96 БЧС. Мониторинг аэрокосмический. Тогда же ВНИИ ГОЧС приступил к созданию космического сегмента мониторинга.

В настоящее время создана сеть аппаратно-приемных комплексов приема и обработки космической информации (КИ), контролирующая практически всю территорию РФ и ряда азиатских и европейских государств.

По информации от зарубежных космических аппаратов (КЛ) N0/^ и ТЕКИЛ с точностью определения координат 1 км обнаруживаются лесные пожары. В ручном режиме — по дымовому шлейфу, в автоматизированном режиме — по тепловому излучению. Разработаны и сертифицированы методики тематической обработки КИ среднего и высокого пространственного разрешения, позволяющие проводить экспресс-оценку масштабов лесных пожаров, наводнений, засух, разливов нефти, разрушений при землетрясениях.

Специальное программное обеспечение системы космического мониторинга МЧС России (СКМ ЧС), разработанное специалистами ВНИИ ГОЧС, обеспечивает определение площади территории, охваченной ЧС, выявление ледяных заторов на реках, обнаружение нефтяных разливов и т.н., при наличии снимков высокого разрешения. Но снимки высокого разрешения необходимо заказывать, что исключает возможность своевременного обнаружения не только техногенных, но и большинства природных ЧС, перечисленных в ГОСТ Р 22.1.04-96. Созданная МЧС России система в полной мере отвечает только требованию объективности, два же других основных требований — к временному и пространственному разрешениям - находятся в противоречии, разре-

шимом только при наличии достаточно мошной группировки космических аппаратов. Необходимое количество КА в группировке зависит от решаемой задачи и может исчисляться десятками, что в обозримом будущем нереально и никакими программами развития не предусмотрено. Не решает проблему и использование информации от зарубежных КА, общее количество которых приближается к требуемой численности, т.к. получение каждого снимка связано с предварительным заказом, срок выполнения которого может исчисляться неделями (к слову, при получении снимков с отечественного КА «Ресурс-ДК» та же ситуация).

Значительно снижает эффективность использования СКМ ЧС (до 50-60%) наличие облачности. Единственный КА с радиолокатором (канадский КА «Кайагеаг»), КИ от которого может принимать СКМ ЧС, не решает проблемы из-за крайне низкой оперативности.

Проблема может быть решена созданием предусмотренной ГОСТ Р 22.1.04—96 системы аэрокосмического мониторинга (АКСМ), однако её до сих пор нет как таковой. Добавление к космическому сегменту системы мониторинга авиационного сегмента не решает проблемы, т.к. авиация не приспособлена для постоянного наблюдения за всей территорией страны. Таким образом, в системе АКСМ образованы две «дыры»: технологическая - отсутствие информации высокого разрешения — и концептуальная

— отсутствие мониторинга ЧС муниципального и межмуниципального уровня.

Десятилетняя пауза в разработке АКСМ была вызвана отсутствием подходящих носителей аппаратуры слежения. Использование авиации для непрерывного мониторинга территории и объектов страны невозможно как по экономическим, так и по организационным причинам. Для полноценного

мониторинга территории необходима группировка в 20-30 КА. В обозримом будущем это не предвидится. Только с утверждением в 2001 г. «Концепции развития перспективных дирижаблей нового поколения», разработанной НПФ «Аэростатика» под руководством академика РАЕН А.Н. Кирилина, появилась реальная возможность построить стратосферный сегмент мониторинга и решить эту задачу (табл. I). У НПФ «Аэростатика» имеется 8-летний опыт строительства и эксплуатации дирижаблей (в том числе и над Москвой).

Строительство современных дирижаблей кроме НПФ «Аэростатика» ведут: ФГУП НПО им.

С.А. Лавочкина, Долгопрудненское КБ авиатехники (ДКБА), Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева, ФГУП «РосАэроСистемы» (табл. 2). Уместно напомнить, что ДКБА являлось мировым лидером в строительстве дирижаблей.

При этом следует учесть присущие дирижаблям многофункциональные свойства, недоступные иным авиационным средствам, а также состояние разработок дирижаблей различного назначения отечественными фирмами, что делает программу создания дирижабельного флота реальной. Кстати, первый этап программы разработчиками выполнен. Начата разработка стратосферного дирижабля.

Проанализировав создавшуюся ситуацию, ФГУП ЦНИИмаш и ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) разработали «Концепцию построения аэрокосмической системы оперативного мониторинга (АКС ОМ) природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций», которая отвечает всем трем основным требованиям к информационным системам: объективность, достоверность, оперативность. Цель создания АКС ОМ — обеспечение системы реагирования информацией, направленной на снижение рисков природных и природно-техногенных (вызванных природными катаклизмами) ЧС. Предпосылками к созданию АКС ОМ явились дирижабли, созданные и разрабатываемые НПО «РосАэроСистемы» и ФГУП «Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики» (в свое время ДКБА — мировой лидер строения дирижаблей), а также принятая программа развития дирижаблей нового поколения НПФ «Аэростатика».

Снижение высоты полета носителя аппаратуры в 20-30 раз соответственно повышает пространственное разрешение и уровень принимаемых сигналов стандартной аппаратурой мониторинга и наземных станций приема КИ. Большая грузоподъемность дирижаблей обеспечивает комплектацию их датчиками во всех диапазонах излучения всех типов полей, как в пассивном, так и в активном режимах (в т.ч. лазерную и радиолокационную).

Особая актуальность развития СКМ ЧС в направлении создания АКС ОМ обусловлена ее неспособностью обеспечить необходимую оперативность обнаружения внезапно возникающих катастроф типа землетрясений и контроль динамично развивающихся ЧС.

Трехуровневая система мониторинга, включающая космический, стратосферный и воздушный

сегменты, соответствует масштабам ЧС и трехуровневой системе управления и реагирования (федеральный, региональный, субъектный) на ЧС.

Верхний уровень системы, включающий орбитальную группировку КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), обеспечивает космической информацией федеральные и региональные структуры реагирования МЧС России. В его задачи входит обеспечение данными для решения следующих задач:

- прогноз и контроль развития метеоусловий;

- среднесрочный прогноз землетрясений, контроля «спящих» вулканов;

- среднесрочный прогноз пожарной и паводковой обстановки;

- обнаружение и прогноз развития тайфунов и цунами;

- контроль медленно развивающихся природных ЧС;

- оценка масштабов последствий крупных природных ЧС и техногенных катастроф;

- экологический мониторинг.

Средний уровень, включающий на первом этапе привязные аэростаты для мониторинга ограниченных территорий (для набора статистики по предвестникам землетрясений над сейсмоактивными участками, фор-шоками), а в дальнейшем - стратосферные дирижабли, замыкается как на региональные, так и на субъектные органы реагирования. На среднем уровне решаются следующие задачи:

- краткосрочный прогноз, обнаружение и контроль развития землетрясений и других природных ЧС;

- обнаружение техногенных катастроф и контроль;

- контроль развития ЧС с высокой динамикой;

- обеспечение мониторинговой информацией заинтересованных министерств и ведомств;

- оказание оперативной помощи терпящим бедствие в удаленных районах;

- краткосрочный прогноз опасных гидрометеорологических явлений (ураганов, тайфунов, смерчей, метелей и др.);

- обеспечение связи.

Основу иижнего уровня АКС составляют беспилотные летательные аппараты, предназначенные для радиационной и инженерной разведки, контроля дальнего переноса химически-, радиационно- и биологически опасных веществ, в том числе непосредственно в облаке загрязнений, и для управления аварийно-спасательными работами. Данные ДЗЗ авиационной составляющей АКС (уровень субъектов РФ) используются для контроля и управления процессом ликвидации последствий ЧС (эта составляющая может использоваться для транспортировки сил и средств в район ЧС, поисково-спасательных операций, тушения пожаров, разборки крупноблочных завалов, ликвидации ледовых заторов).

При определении концептуального облика и путей создания структуры и состава АКС ОМ рассматривалась как сложная, многосвязная система, состоящая из отдельно существующих элементов различного функционального назначения.

Научно-технические разработки

ТЕХНОЛОГИИ ГРАЖДАНСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Научно-технические разработки

Таблица 1

Современная концепция дирижаблестроения в России

Этапы программы 1 этап 2 этан 3 этап 4 этап

Дирижабль Экспериментальные А-01, А-02 Многофункциональный А-ЗОО Транспортные А- 100000-А-600000 Стратосферный беспилотный

Размерность дирижабля Малого объема (до 1000 м1) Среднего объема (4000 м5) Большого объема (10000-00000 м’) Большого объема ( 300000-500000 м1)

Конструктивная схема дирижабля Мягкий Полужесткий Жесткий Полужесткий или жесткий

Грузоподъемность до 150 кг до 1 тонны или 8-9 человек 40-50 т 150 т 300 т 1-2 тонны

Высота полета, км 1-2 До 3 от 1-2 до 8-10 20

Крейсерская скорость, км/ч 80-90 100-110’ 120-150 до 140

Дальность полета, км до 30 до 1000 10000-12000 -

Продолжительность полета в режиме барражирования 4 часа 24 часа 10-20 дней 5-10 лет

Таблица 2

Характеристики российских дирижаблей

№ п/п Характеристики Наименование проекта, головной разработчик

Аи-30 НПО « Росаэросистемы» ДС-3 ФГУП ДПД-5000 НПО « Росаэросистемы» МД-900 НПО « Росаэросистемы » ВАМП ФГУП ДКБА Беркут-НЬ НПО «Росаэросистемы» ДД-Н1 НПО «Росаэросистемы»

1. Объем оболочки, м2 5200 8039 50150 9050 360000 320000

2. Длина оболочки, м 54 62 126,8 60 200 250 268

3. Максим, диаметр, м 13,5 15,75 28.2 17,1 54 50 64

4. Силовая установка 2-х Лом-Прага М332С2х170л.с. М14В26 2x235 л.с. 2x2070 л.с. Турбо-дизель 2x375 л.с. Мощность ЭД привода винтов 520 кВт

5. Воздушный винт - - - - - 3 лоп.(1=6м -

6. Экипаж, чел 2 2 12 3 - - -

7. Стартовая масса, кг 4850 8400 43200 8630 22500 -

8. Масса полезной нагрузки, кг 1500 2000 15200 3170 2500 1200 -

9. Мощность, потребляемая полезной нагрузкой, кВт - - - - 100 (с бортовым оборудованием) 15 -

10. Площадь солнечной батареи, м- - - - - 8000 8000

11. Высоты,м До 1500 2700 1500 1000 19...21 км 20...23 км -

12. Продолжительность полета, час 24 (У=70 км/ч) 5 (У= 100 км/ч) 44,7 (У=48,5 км/ч) 98 (У=110 км/ч) 20 (\'=150 км/ч) 20 (У=130 км/ч) 50 (У=100 км/ч) 6 мес. 4 мес. -

13. Дальность, км 1600 3000 8700 3000 - - 15000

14. Максим, скорость, км/ч 100 120 150 130 40 - 170

15. Крейсер, скорость, км/ч 0...90 - ПО 100 25 - 120

16. Состояние разработки Летное испытание - 2006 г. - - - “ Лепное испытание -2010 г. “

Федеральный центр науки и высоких технологий Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций

Индивидуальный риск обладает еще той особенностью, что вероятность выживания пострадавшего (процент выживших) подчиняется экспоненциальному закону, т.е. в равные промежутки времени погибает одинаковая доля пострадавших. Это дает возможность определять относительную долю пострадавших через время от момента наступления события до его обнаружения, независимо от иных временных потерь. Отношение эффективностей снижения индивидуальных рисков при различных вариантах системы описывается экспонентой, показателем которой является разность соответствующих времен задержки после наступления события.

Таким образом, задача сравнения эффективности снижения индивидуальных рисков сводится для всех типов ЧС к сравнению оперативности получения информации требуемого качества.

Отличительной особенностью дирижаблей являются:

- высокая надежность, экологичность, грузоподъемность;

- практически полная безопасность;

- на порядки меньшая стоимость эксплуатации по сравнению с другими средствами при решении аналогичных задач.

Уверенность в решении технической проблемы обеспечения необходимого количества дирижаблей с необходимыми основными характеристиками придает их многофункциональность.

Уже сегодня дирижабли используются администрациями субъектов РФ для контроля и разведки территорий и транспортных артерий. Используются они и в ВВС. Так, на авиасалоне в Фарнборо компания «Авгуръ» и «РосАэроСистемы» представили аэростаты военного назначения «Пума» и «Ягуар».

Востребованность дирижаблей в различных ведомствах обеспечивает создание соответствующей структуры дирижабельного флота в ближайшие годы. Многообразие задач, и решении которых могут принимать участие дирижабли, делает их характеристики универсальными, а создание - общефедеральной

Таблица 3

Результаты оценки эффективности мониторинга природных ЧС

Ъш ЧС Индивидуальный риск* Коэффициент значимости К К'

Землетрясения 41 0,86 -

Цунами 2 0,04 0,3

Наводнения 1,5 0,03 0,22

Лавины 1,7 0,035 0,25

Оползни и обвалы 0,62 0,013 0,09

Природные пожары 0,6 0,012 0,08

Сели 0,5 0,01 0,06

*) Данные прогноза на 2025 г. см. «Стратегические риски России. Оценка и прогноз». Деловой экспресс, 2005., с. 145, табл. 3.15

Поскольку на вход системы поступает значительное количество различных по характеристикам сигналов, их поток может считаться случайным Марковским процессом. Следовательно, к ней применим системный анализ, который понимается как исследование проблемы принятия решения в сложной системе и подразумевает: описание множества альтернатив, исследование многокритериальных задач, выбор методов решения задач оптимизации, обработку экспертных оценок.

Аппаратная реализация методологии оценки эффективности системы включала стандартные приемы моделирования работы системы массового обслуживания. Модель строилась в виде связных множеств отдельных процедур анализа и исследования организации таких множеств.

Оценка проводилась по значению возможного снижения индивидуального риска, т.к. спасение людей является приоритетной задачей МЧС России. При оценке эффективности мониторинга различных типов ЧС были выделены землетрясения, как наиболее значимые (табл. 3), а также потому, что вероятность краткосрочного прогноза и своевременного обнаружения этого типа ЧС напрямую определяет снижение индивидуального риска.

Землетрясения являются единственным типом ЧС, связанных с индивидуальными рисками, который поддаётся прогнозированию с теоретически рассчитываемой вероятностью. Для этого типа ЧС эффективность системы определяется вероятностью прогноза за время большее, чем требуется для проведения предупредительных мероприятий (предупреждение населения, вывод людей из опасных зданий и т.п.).

При построении модели системы массового обслуживания отдельно рассматривались задачи прогнозирования, обнаружения и контроля с учетом приоритетов задач и типов ЧС. Приоритеты задач выбраны в соответствии с табл. 3 (значения индивидуального риска приведены с коэффициентом 106).

Научно-технические разработки

проблемой.

Представлен в следующем виде краткий перечень направлений использования дирижаблей:

• наблюдение и загоризонтное целеуказание;

• обнаружение низколетяших целей;

• дальнее радиолокационное обнаружение;

• ретрансляция сигналов связи и управления;

• контроль экономических районов;

• использование в качестве мобильного госпиталя;

• перевозка пассажиров;

• транспортировка грузов;

• выполнение сложных монтажных работ;

• выполнение специальных задач с возможностью высадки десантной группы;

• проведение спасательных операций;

• ледовая разведка, сопровождение караванов

судов;

• гидрографические и картографические исследования;

• мониторинг территорий и др.

Применительно к задачам МЧС России существуют следующие основные направления использования дирижаблей, заполняющие пустующие или неудовлетворительно обеспеченные ниши.

1. Беспилотный, привязной аппарат мягкой конструкции, длиной в рабочем состоянии до 7 м. Применение — поддержка ведения аварийно-спасательных работ. Главным способом применения этого типа аппаратов является выборочный мониторинг сейсмоопасных территорий (Камчатка, Байкал, Кавказ) для набора необходимой статистики на слабых землетрясениях.

2. Пилотируемый транспортный дирижабль жесткой конструкции и большой грузоподъемностью для доставки гуманитарных грузов и средств жизнеобеспечения при бедствиях и катастрофах федерального и регионального уровня. Относительно невысокая скорость полета (100 — 150 км/час) компенсируется возможностью доставки «от точки до точки» без перевалки для смены транспорта и отсутствием технологических запретов на трассу полета.

3. Пилотируемый дирижабль для ведения аварийно-спасательных работ, в том числе при тушении пожаров (возможность доставки до 500 т огнетушащей жидкости), разборке завалов из крупных строительных конструкций.

£

*

га

О.

<*>

га

о.

*

0

О!

т

£

1

I

X

4. Беспилотный стратосферный дирижабль относительно невысокой (~ 1 т) фузоподъемности для непрерывного получения данных мониторинга высокого пространственного разрешения с площади более 1,5 тысяч км2 (без барражирования) и обеспечивающий наблюдение территории на дальности до 500 км.

Необходимо особо отметить этот тип дирижабля, т.к. это единственное техническое средство, предоставляющее возможность для постоянного контроля динамично развивающихся ЧС или оперативного прогноза и обнаружения внезапно появляющихся опасных явлений на больших территориях. Космический мониторинг в настоящее время и в обозримом будущем эти задачи решить не может, т.к. для этого потребовалось бы увеличить группировку КА до нескольких десятков, даже с учетом использования зарубежных КА. С высоты 20 км можно получать детальное разрешение на кадре площадью более 1,5 тыс. км2 и осуществлять наблюдение в радиусе 150 км.

Кроме того, снижение высоты в 25 раз по сравнению с КА «Канопус» повышает чувствительность приемника ультранизкого электромагнитного излучения на 25 дБ и в 25 раз уменьшает величину обнаруживаемых флуктуаций магнитного и электростатического поля. Это значит, что может быть обнаружен развивающийся процесс на более ранней стадии, либо его слабые изменения.

Важным моментом является возможность оснащения дирижаблей радиолокационной станцией бокового обзора для получения рельефа местности.

Актуальность оперативного мониторинга больших территорий может быть проиллюстрирована возможностью мониторинга опасных природных и техногенных явлений:

- краткосрочный прогноз землетрясений и пробуждения вулканов;

- своевременное обнаружение очагов лесных пожаров;

- обнаружение транспортной аварии и аварии I фолуктопровода;

- прогноз и обнаружение схода лавин и ледников;

- прогноз и обнаружение прорыва дамб;

- контроль выбросов радиоактивных и химически опасных веществ;

- своевременное обнаружение ледовых заторов на малых реках.