Способ разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК B64C39/00 G01S13/95 

Способ относится к области технических средств обеспечения безопасности мореплавания в условиях сложной ледовой обстановки.

Известные способы разведки ледовой обстановки с использованием телеуправляемых беспилотных летательных аппаратов (патенты RU №26319660, 29.09.2017 [1], RU №12339 U1, 27.12.2012 [2], заявка RU №2014141127 А, 10.05.2016 [3], патенты RU №153808 U1, 10.08.2015 [4], RU №83140 U1, 20.05.2009 [5], заявка WO №2012162310 A1, 29.11.2012 [6], заявка US №20140062764 A1, 06.03.2014 [7]), которые включают использование на них технических средств, основанных преимущественно на распространении акустических волн.

Согласно мировой практике, в большинстве случаях суда попадают в ледовый плен из-за отсутствия надежных данных о ледовой обстановке на пути следования. В морском льду, как и в любой упругой среде, возможно распространение акустических волн. Это свойство, в случае наличия границ раздела сред с различным акустическим волновым сопротивлением Z, определяемым выражением: Z=ρC, где ρ - плотность какой-либо среды. С - скорость звука в ней, позволяет, при известной скорости звука, измерить толщину этой среды. Требование учета различия волновых сопротивлений сред при оценке результата связано с необходимостью получения сигнала, отраженного от границы их раздела. В этом случае возможно измерение толщины при наличии доступа только к одной границе раздела. Измерения толщины могут проводить путем излучения акустического импульса в исследуемую среду с последующим измерением времени распространения звука от одной границы раздела до другой и обратно. Тогда толщина исследуемой среды "h" определяется как h=Ct/2, где t - время распространения звука. Измерение толщины льда таким способом из воздушной среды требует непосредственного контакта акустического излучателя со льдом. Это связано с несравнимо большим волновым сопротивлением льда по сравнению с воздушной средой. При больших отличиях волновых сопротивлений первой и второй сред модуль коэффициента отражения звука "К" равен K=(ρ₁C₁-ρ₂C₂)/(ρ₁C₁+ρ₂C₂) и близок к единице, т.е. звук практически полностью отражается от границы раздела и не проникает во вторую среду.

При этом погрешность измерения толщины льда зависит, в основном, из-за изменения скорости звука (Г.А. Лебедев. К.К. Сухоруков Распространение электромагнитных и акустических волн в морском льду. Санкт-Петербург. Гидрометеоиздат, 2001), а величина скорости звука в морском льду зависит, в основном, от его плотности, температуры и солености. Диапазон ее изменчивости составляет ≈3800÷3200 м/с, что позволяет измерять толщину льда с погрешностью ≈15%. С привлечением данных о температуре поверхности льда ошибка уменьшится до 10%, а при известном возрасте льда станет еще меньше.

Общеизвестными способами определения ледовой обстановки являются визуальное обследование, фото-киносъемка, радиолокационное зондирование, а также пассивное инфракрасное видение, проводимые с борта пилотируемого вертолета. Техническими средствами и наблюдением можно определить такие важные для плавания во льдах параметры, как сплоченность льда, торосистость, возраст, а также направление и скорость его дрейфа. Основными недостатками последнего способа определения ледовой обстановки является необходимость применения пилотируемого вертолета, базирующегося на борту судна. Использование пилотируемого летательного аппарата, базирующегося на судне, в сложных погодных условиях высоких широт сопряжено с риском для жизни экипажа и утратой дорогостоящей техники. Кроме того, содержание летного экипажа и высокая стоимость технического обслуживания вертолета существенно снижают экономическую эффективность ледовой разведки. В известном способе определения толщины льда (патент RU №2442106 [8]) посредством ультразвукового преобразователя возбуждают ультразвуковой импульс, принимают эхо-импульсы, многократно отраженные от противоположных поверхностей ледового образования, вычисляют нормированную автокорреляционную функцию от стробированной части принятой последовательности импульсов, искомую толщину определяют путем умножения половины аргумента автокорреляционной функции, при котором она принимает максимальное значение, на известную скорость ультразвука в ледовом образовании. Недостатком вышеприведенного способа является ограничение по способу перемещения оборудования к месту измерений, поскольку требуется измерять толщину льда по ходу движения судна в ледовых условиях.

Известный также способ использования беспилотного аппарата вертолетного типа для определения ледовой обстановки (патент RU №2425400 [9]) заключается в том, что с обеспечивающего судна, например, лидирующего в транспортном караване ледокола, высылают по планируемому маршруту движения каравана два беспилотных летательных аппарата - ведущий аппарат №2, которому задают верхний эшелон полета, и ведомый аппарат №1 с нижним эшелоном полета. Ведомый аппарат ведет разведку при помощи установленного на нем оборудования видео-фотосъемки и радара. Необходимость использования аппарата №2 обоснована малой высотой полета аппарата №1, прямая связь которого с судном на удалениях более нескольких десятков километров затруднительна. Аппарат №2, используемый в качестве ретранслятора, решает проблему дальней связи. Генеральное направление полета аппаратов задают с обеспечивающего судна в соответствии с планируемым маршрутом его движения и оперативными данными разведки, получаемыми по радиоканалу.

Недостатком в данном способе ледовой разведки является отсутствие возможности объективной оценки такого важного для судоходства параметра, как толщина льда. При использовании традиционных методов оптической и радарной съемки данные о толщине льда получают из оценок возраста льда. При этом принципиально не могут быть учтены многие факторы, влияющие на скорость льдообразования. Полученные таким способом данные о толщине льда содержат долю субъективной составляющей, зависящей от опыта и профессионализма оператора, обрабатывающего данные видео и радарной съемки.

Увеличение достоверности данных о толщине льда при ледовой разведке путем непосредственного контактного измерения этого параметра, т.е. увеличение информативности и точности известного способа разведки ледовой обстановки с авиационных средств путем исключения субъективности при интерпретации получаемых данных решается при использовании известного технического решения [1].

В данном способе разведки ледовой обстановки с использованием телеуправляемых беспилотных летательных аппаратов [1], включающим передачу от них на обеспечивающее судно по радиоканалу связи, данных о ледовой обстановке по курсу движения каравана судов. При этом ледовую разведку выполняют двумя беспилотными летательными аппаратами (БЛА).

Первым БЛА оборудованным видео/радио аппаратным комплексом, производят непосредственное определение характеристик ледовой обстановки по курсу судов и передачу по каналу связи полученных данных на обеспечивающее судно через второй БЛА, являющийся летательным аппаратом-ретранслятором. Первый БЛА используют с установленным дополнительно на нем измерительным акустическим аппаратно-программным комплексом с излучающими акустическими антеннами для выполнения измерений ультразвуковым методом толщины льда путем непосредственного контакта антенн этого БЛА со льдом. При этом, поднимая с борта судна данные БЛА и выводя их посредством использования радиоканала на курс движения судов, задают высотные эшелоны полета, отвечающие требованиям по качеству связи и получаемых данных.

Посредством видео-радио аппаратного комплекса первого БЛА измеряют характеристики масштабов неоднородности ледовых полей, которые через БЛА-ретранслятор передают на обеспечивающее судно и при необходимости производства измерений толщины льда намечают требуемое число точек его непосредственного контактного измерения, а также и их распределение по курсу движения судов в реальном времени, и при осуществлении измерений телеуправляемо подводят первый БЛА к необходимой точке измерений, производят его посадку на поверхность льда, осуществляют непосредственный контакт со льдом излучающих антенн его аппаратно-программного комплекса и начинают измерения.

При этом процесс измерения толщины льда осуществляют двумя режимами, в первом из которых посредством аппаратно-программного комплекса производят зондирование короткими акустическими импульсами с высокочастотным заполнением, осуществляя режим прямого высокочастотного зондирования, и производят прием отраженных импульсов высокочастотной антенной, при этом измеряют время пробега высокочастотного импульса от верхней поверхности льда и обратно, получая при этом в аппаратно-программном комплексе величину двойной толщины льда, в случае же отсутствия в аппаратно-программном комплексе сигнального импульса от нижней поверхности льда включают второй, параметрический режим измерений, в котором двумя задействованными, контактирующими со льдом высокочастотной и низкочастотной акустическими антеннами с совмещенными их диаграммами направленности излучают два радиоимпульса, из которых первый используют заполненным немодулированной высокой частотой, а несущую низкую частоту второго радиоимпульса используют модулированной сложным, шумоподобным сигналом, получая таким путем параметрические гармоники и суммарные и разностные частоты, и при этом, при происходящем затухании высокочастотных составляющих, низкочастотные составляющие, модулированные сложным сигналом, которые распространяются до нижней поверхности льда, в этом режиме воспринимают, осуществляя их прием низкочастотной антенной, а информационный параметр в аппаратно-программном комплексе, выраженный в виде показания задержки времени сигнала на распространение в толще льда, определяют корреляционной его обработкой, результаты которой фиксируют в аппаратно-программном комплексе измеряемую толщину льда в этом режиме. Затем отправляют полученные результаты измерений по каналу связи оператору на судно, при этом результаты измерений представляют в виде карты толщин ледового поля либо в виде единичного результата, который используют при ледовой проводке судов по данному курсу.

При этом используют БЛА, выполненный в виде телеуправляемого аппарата вертолетного типа, в форме обычного квадрокоптера, выполненного на традиционной Х-образной раме с 8-ю стандартными несущими винтами и со схемой управления полетом аппарата типа DJI А-2, обладающего временем автономного полета до 50 мин.

Частоту радиоканала для управления полетом беспилотных летательных аппаратов используют размером F-2,4 ГГц, частоту радиоканала для качественной видеосвязи используют размером F-1,2 ГГц. Причем первая частота радиоканала выбрана исходя из списка существующих радиочастот, а видеотракт выбран более низкого диапазона, в отличие от тракта радиоуправления, чтобы максимально повысить дальность передачи видеоизображения, передаваемого как при телеуправляемом полете, так и автономном.

Частоту ультразвуковых излучений аппаратно-программного комплекса применяют величиной F-120 кГц, которая соответствует техническим характеристикам используемой аппаратуры.

Однако использование методов лоционирования льда, в которых для обеспечения высокой разрешающей способности используют высокочастотные звуковые колебания (120 кГц) для измерения толщины льда затруднено из-за затухания акустических волн в толще льда.

К недостаткам данного способа также следует отнести субъективный характер выбора требуемого числа точек с измерениями толщины льда и их распределением по маршруту, который устанавливают в зависимости от масштабов неоднородностей ледовых полей, определяемых предварительно. Для реализации данной операции необходимо привлечение дополнительных средств, с помощью которых выявляют масштабы неоднородностей ледовых полей и их распределение по маршруту. Известны также универсальные модульно-блочные системы мониторинга состояния ледяного покрова (патенты CN №105775141 А, 20.07.2016 [10], RU №261275401, 13.03.2017 [11], RU №262127601, 02.06.2017 [12], CN №105607100 А, 25.05.2016 [13], RU №268380601, 02.04.2019 [14]).

Например, универсальная модульно-блочная система мониторинга состояния ледяного покрова [12] служит для прогноза времени и места образования трещин, разломов, торошений в условиях сжатия дрейфующих ледяных полей, разрушения льда при воздействии волн зыби, а также отрыва припая (припай условно-неподвижный ледяной покров, связанный с берегом) при ветровом воздействии. Известный способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби [12] заключается в непрерывном фиксировании напряженно-деформированного состояния ледяного полигона и одновременно поля упругих волн в нем, а также положение ледяного полигона в пространстве и во времени. Это достигается включением полевых станций и расстановки их по четырехугольной схеме, каждая из которых состоит из трехкомпонентного сейсмометра, двухкомпонентного наклономера, двух деформометров, двух датчиков напряжений, ориентированных по странам света и приемника глобальной спутниковой системы позиционирования. Кроме того, данные с полевых станций по радиоканалу поступают на базовую станцию сбора и обработки данных в режиме реального времени и записываются в базу данных на устройство постоянной памяти (сервер). Одновременно с записью на сервер осуществляется обработка на компьютере с выводом данных на дисплей, что позволяет оператору выделить предикторы разрушения ледяного поля и дать заблаговременный прогноз опасного явления в определенном временном диапазоне. Временная синхронизация между полевыми станциями, а также фиксация изменений ориентации расстановки датчиков при дрейфе и поворотах ледяного поля осуществляется посредством приема сигнала глобальной спутниковой системы позиционирования на приемник сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования GPS или ГЛОНАСС. Недостатком такого способа мониторинга состояния ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии и воздействии волн зыби является отсутствие визуальной информации у оператора о характере протекания процесса разрушения льда, что снижает качество прогноза по запасу времени у персонала для подготовки к событию, а также необходимость размещения полевых станций. Известен, также способ наблюдений за состоянием ледового поля при помощи сейсмометров и наклономеров (Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Результаты наблюдений за естественными деформациями ледяных полей. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988, №12, с. 75-78 [15]), в котором на дрейфующем ледяном покрове в одной точке устанавливают три сейсмометра (вертикальный и два горизонтальных) или два наклономера. Регистрация аналоговых сигналов выполняется на многоканальный самописец, а передача информации от датчиков на регистратор осуществляется по проводам.

Недостатком таких расстановок является неполнота, получаемых данных о волновых процессах, вызванных трещинообразованием и торошениями в окружающем ледяном покрове, и отсутствие оперативной информации о пространственном положении расстановки и временной синхронизации датчиков, что не позволяет выделять предикторы формирования разлома ледяного поля в режиме реального времени. Передача аналогового сигнала по проводам от датчиков к регистратору является ненадежной в условиях дрейфующего льда и слабо помехозащищенной, требует больших физических усилий и времени в ее развертывании. Регистрация сигналов в аналоговом формате на самописец не позволяет проводить оперативную обработку данных для оценки текущего состояния ледяного поля в режиме реального времени для обеспечения прогноза его разлома. Известна система регистрации времени и координат места образования айсбергов выводных ледников, которая осуществляется в результате расстановки на берегу в районе выводных ледников трех сейсмометрических станций. При этом каждая станция состоит из трех сейсмометров вертикального и двух горизонтальных, ориентированных по странам света. Станции расставляются на берегу по треугольной схеме, что позволяет определить координаты места формирования айсберга по вступлению упругих волн, образующихся при отрыве айсберга от ледника и распространяющихся по грунту с известной скоростью (патент на полезную модель RU №84999 U1, 20.07.2009 [16]). При этом координаты ледников заранее известны, а координаты расстановки однозначно привязаны к местности.

Недостатком такой системы является невозможность ее применения на дрейфующем ледяном покрове с целью мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома. Таким способом можно зарегистрировать образование трещин и зон торошения, но нельзя определить их координаты и прослеживать движение областей разрушения в ледяном покрове. Кроме того, частотная характеристика сейсмометров является узкополосной для регистрации всего возможного спектра колебаний, существующих в ледяном покрове. Расстановка сейсмометров по треугольной схеме позволяет определить направление и расстояние до очага разрушения по известным скоростям распространения только упругих волн. Для дрейфующего ледяного покрова при трехточечной схеме расстановки приборов и равновероятном образовании трещины в любом месте может возникнуть ситуация, когда полезный сигнал придет к двум приборам одновременно. В этом случае вторая координата очага полезного сигнала будет являться функцией скорости распространения волны и возникнет неопределенность по определению координат очага торошения или трещинообразования.

В известном техническом решении [14] в дополнение к средствам измерения известного устройства [13], введен модуль, состоящий из БЛА вертолетного типа, который укомплектован блоком, содержащим камеру фото и видео фиксации в видимом диапазоне, камеру фото и видео фиксации в инфракрасном диапазоне, датчик приема электро-магнитного излучения и блок приемо-передающей антенны (Смирнов В.Н., Степанюк И.А. «Методы измерений характеристик динамики ледяного покрова» Санкт-Петербург. Гидрометеоиздат, 2001. с. 30-48 [17]). Работа в видимом диапазоне проводится в дневное время, а ИК диапазон обеспечивает визуальные наблюдения в ночное время и при плохой видимости днем. Датчик приема электро-магнитного излучения дополнительно к данным сейсмометров обеспечивает наблюдения за образованием микротрещин непосредственно в точке визуальных наблюдений с помощью БЛА. При этом модуль базовой станции комплектуется устройством приема и записи на сервер сигналов поступающих с БЛА, которые записываются на сервер и одновременно поступают через компьютер на дополнительный монитор. Оператор визуально может наблюдать протекающие процессы разрушения льда и характер формирования системы трещин или характер торошения в конкретном месте ледяного поля. Таким образом, при помощи модульных полевых станций определяется развитие напряженно-деформированного состояния ледяного полигона и изменения в характере волновых полей, на основании чего выявляются предикторы разрушения льда, а видео наблюдения обеспечивают возможность характеризовать развитие процессов трещинообразования и торошения во льду необходимых для принятия решения об уровне опасности. При этом универсальная модульно-блочная система мониторинга состояния ледяного покрова развернута по четырехугольной схеме на дрейфующем ледяном поле и состоит из четырех модулей полевых станции. Каждая полевая станция состоит из блока датчиков первичной фиксации напряженно-деформированного состояния ледяного полигона и поля упругих волн в нем, который включает в себя два деформометра, два датчика напряжения, двухкомпонентный наклономер, трехкомпонентный сейсмометр, приемник глобальной спутниковой системы позиционирования; блок регистрации и преобразования сигналов в цифровой формат, поступающих с датчиков; блок управления и передачи данных по радиоканалу на модуль базовой станции и блок аккумуляторов питания станции. Модуль базовой станции служит для управления и сбора данных с полевых станций и БЛА. Связь с полевыми станциями и БЛА осуществляется по радиоканалу при помощи приемопередающего антенного блока базовой станции. Блок с датчиками установленный на БЛА, комплектуется камерой фото и видео фиксации в видимом диапазоне, камерой фото и видно фиксации в ИК диапазоне и датчиком приема электромагнитного излучения при трещинообразования во льду. Кроме того на БЛА устанавливается блок приемо-передающей антенны для связи с базовой станцией. Модуль базовой станции может быть развернут на ледяном поле, на берегу или судне. Поступающая на модуль базовой станции информация может передаваться с помощью спутниковой антенны на ИС3-ретранслятор и далее в удаленный центр накопления и обработки данных.

При этом универсальная модульно-блочная система мониторинга состояния ледяного покрова устанавливается на припае и берегу. На припае устанавливаются три модуля полевых станций по треугольной схеме. На берегу располагается модуль четвертой полевой станции, в котором на регистрацию и передачу данных подключается только трехкомпонентный сейсмометр и один раз определяются координаты точки установки четвертой полевой станции при помощи приемника глобальной спутниковой системы позиционирования.

Данный способ отягощен необходимостью установки измерительной аппаратуры на припай или на дрейфующее ледяное поле, что возможно осуществить только при благоприятных погодных условиях на акватории северных морей. Известны также способы мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов, и воздействии волн зыби (RU №2427011 С1, 20.08.2011 [18], Smirnov V.N., Shushlebin A.I., Sheikin I.B., Nikitin V.A., Seismic activity of landfast ice, Proceeding of the Fifth Int. Offshore and Polar Engineering Conf. The Netherlands, June 11-16, 1995, pp. 364-368, v. 2 [19], RU №2362971 C2, 27.07.2009 [20], DE №102012020093 A1, 17.04.2014 [21], RU №262127601, 02.06.2017 [22]). Так, например, известный способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби [22] служит для прогноза момента образования трещин или разлома ледяного поля в условиях сжатия ледяных полей и при воздействии волн зыби. Такие данные могут быть использованы для обеспечения безопасности нахождения на льду людей, материальных ценностей, дрейфующих станций, ледовых аэродромов, ледовых переправ, а также при эксплуатации нефтедобывающих платформ в ледовых условиях и разгрузки судов на ледяной покров. Известен способ определения перемещений ледника с последующим отколом его крайней части и падением некоторого объема льда в море. Фиксация такого события осуществляется сейсмометром, установленным на берегу, и волнографом, расположенным на припае (Smirnov V.N., Korostelev V.G., Shushlebin A.I. Monitoring of the dynamics of fast ice and icebergs. Proceedings 17-th Int. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic Conditions (POAC 03), 2003, pp. 709-713 [23], Смирнов B.H. О изгибно-гравитационных колебаниях ледяного покрова моря Дейвиса. Бюллетень советской антарктической экспедиции №61, 1967, с. 61-65 [24]). Данный способ позволяет определить момент откола части льда от ледника и образование айсберга по времени вступления упругой волны, которая распространяется по грунту с известной скоростью.

Недостатком способа является возможность осуществления контроля только за одним ледником с известными координатами с целью определения момента отрыва части льда и образования айсберга, а также необходимость установки измерительной аппаратуры на ледовые образования.

В известном способе [22], предназначенным для мониторинга физико-механического состояния ледяного поля или припая с целью прогнозирования его разлома в результате внешнего воздействия, которое характеризуется изменением волновых полей в окружающем ледяном покрове и изменением напряженно-деформированного состояния исследуемого ледяного поля, выполняют расстановку разнесенных на ледяном поле или припае на некоторое расстояние по четырехугольной схеме четырех полевых станций, каждая из которых включает трехкомпонентный сейсмометр, двухкомпонентный наклономер, два однокомпонентных деформометра, два однокомпонентных датчика давления и приемник сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования. Стороны четырехугольника выбираются в зависимости от размеров ледяного поля и решаемых задач. Кроме того, в комплект полевых станции входит модуль сбора и оцифровки данных, получаемых с аналоговых датчиков, модуль передачи данных в цифровом формате по радиоканалу и запись в базу данных на устройство постоянной памяти (сервер) базовой станции сбора и обработки данных.

Данный способ мониторинга состояния дрейфующего ледяного поля и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби осуществляется следующим образом. На дрейфующей льдине или припае по четырехугольной схеме в вершинах четырехугольника устанавливаются четыре модульные полевые станции. Для этого расчищаются четыре площадки, на которых ко льду примораживаются постаменты из досок и на них устанавливаются трехкомпонентные сейсмометры и двухкомпонентные наклономеры. В поверхностный слой льда вмораживаются деформометры и датчики напряжения, которые замораживаются в предварительно выбуренные скважины. Датчики ориентируются по сторонам света - север-юг и запад-восток, что обеспечивает возможность определения направлений и координат очагов трещинообразования и разрушения, а также скорость продвижения этих процессов к исследуемому ледяному полю. Кроме того, подключаются приемники сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования. На судне разворачивается базовая станция сбора и обработки данных, на которую по радиоканалам поступают данные в цифровом формате и записываются в базу данных на устройство постоянной памяти (сервер). Кроме того, осуществляется обработка поступающей информации на компьютере по определенному алгоритму в режиме реального времени с выводом на дисплей, что позволяет оперативно выделить предикторы разломов ледяного поля и дать заблаговременный прогноз опасного явления в определенном временном диапазоне. Базовая станция сбора и обработки данных, кроме судна, в зависимости от решаемых задач, может располагаться на ледяном поле или берегу. За временной синхронизацией между полевыми станциями и изменениями первоначальной ориентации расстановки датчиков при дрейфе и поворотах ледяного поля осуществляется постоянный контроль посредством приема сигнала глобальной спутниковой системы позиционирования на приемники сигналов глобальной спутниковой системы позиционирования.

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость из-за необходимости установки полевых станций.

Известны также способы разведки ледовой обстановки, которые могут быть использованы при выборе маршрута следования судов ледового класса через морские ледовые поля арктических морей, в том числе и на северном морском пути (патенты RU №2082095 С1, 20.06.1997 [25], RU №2449326 С2, 27.04.2012 [26], заявка RU №2017110594 А, 01.10.2018 [27], патент RU №2694085 С1, 09.07.2019 [28]).

Общеизвестным способом разведки ледовой обстановки является авиаразведка, при которой на пилотируемых средствах: самолетах или вертолетах регистрируют изображение ледовой обстановки с помощью радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО) и по радиоканалу передают это изображение в оптическом и инфракрасном диапазонах на обеспечивающее судно (Исследование ледяного покрова с помощью радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО). - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - С. 6-9 [29]). Недостатком способа является невозможность его использования в условиях низкой облачности.

В последние годы одним из основных способов гидрометеорологического обеспечения в Арктике и Антарктике стала спутниковая информация. Ее роль существенно возросла в связи со значительным сокращением наземной сети береговых и островных полярных станций, а также свертыванием деятельности авиационной полярной разведки. При этом основным средством наблюдений за состоянием ледяного покрова являются спутниковые радиолокационные системы (Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Иоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб., Наука, 2007, с. 88-116 [30]). При этом особое внимание уделяется автоматической географической привязке спутниковых изображений, их интерпретации и одновременной работе с ними. Такой подход позволяет давать достоверные оценки основных навигационных характеристик ледовых полей. Практически на всех судах есть возможность постоянно получать через сеть интернет электронные ледовые карты и прогнозы непосредственно с сайтов их разработчиков. Современные средства телекоммуникации позволяют быстро передавать спутниковые снимки, ледовые карты, прогноз погоды и т.д. непосредственно на морские суда и отображать данные в электронных навигационных картографических системах. Однако получаемая при этом информация не является оперативной, так как процесс измерения и обработки информации, с учетом неравномерности прохождения спутников, может иметь длительный период.

Известен способ по патенту [26], включающий получение спутниковых радиолокационных снимков на Северном морском пути, содержащих основные характеристики ледового покрытия, последующий анализ и интерпретацию изображений в бортовом программно-вычислительном комплексе и выделение границ ледовых зон, при этом толщину льда определяют посредством параметрического гидроакустического измерителя путем зондирования ледового образования линейными частотно-модулированными импульсами. Недостатком данного способа является необходимость выполнения предварительной ледовой разведки для выбора точек измерений посредством параметрического гидроакустического измерителя.

Известный способ разведки ледовой обстановки на Северном морском пути [28] позволяет решить проблему определения толщины льда не контактным, а расчетным путем.

При этом в способе разведки ледовой обстановки на Северном морском пути, включающем получение спутниковых радиолокационных снимков на основе оперативных и прогнозных данных дистанционного мониторинга ледовой обстановки, содержащих основные характеристики ледового покрытия с учетом гидрометеорологической ситуации в заданном регионе, при этом входящая информация обрабатывается в бортовом программно-вычислительном комплексе, а толщину льда Н рассчитывают по формуле с учетом значений ледопроходимости судна h, скорости хода V судна во льдах, скорости хода v судна на чистой воде. При этом данные для расчета получают из баз данных, содержащих информацию о скорости и маршрутах движения судов в заданном географическом регионе, информацию о тактико-технических характеристиках данных судов, а также информацию о динамике ледообразования, типу, возрасту и толщине льда с привязкой по времени и географическому положению, и по полученным результатам выбирают оптимальный маршрут движения судна выбранного класса в заданном регионе по точкам с допустимыми для данного класса расчетными толщинами льда в пределах генерального направления движения судна. При этом в итерационный расчет включают большое количества архивных вариантов движения судов при различных ледовых условиях (толщине льда, его сплоченности и др.) и данных дистанционного мониторинга ледовой обстановки, архивных и прогнозных климатических данных.

Для реализации способа может быть использован программно-вычислительный комплекс, выполненный в виде специализированного автоматизированного рабочего места. На комплекс по различным каналам связи поступает информация: о тактико-технических характеристиках судов (ледопроходимость, максимальная скорость на чистой воде и др.) из Регистровой книги Российского морского регистра судоходства (PC) - https://lk.rs-class.org/regbook/regbookVessel?ln=ru, архивная и оперативная информация с периодичностью в одну минуту о маршрутах движения судов (на чистой воде и в различной ледовой обстановке) от автоматической идентификационной системы (АИС) судна, которая содержит подробную информацию о названии судна, географических координатах, скорости, курсе, осадке и конечной точке движения судна от сервиса - http://www.scanex.ru/geo-service/AIS-history/ или от сервиса https://www.shippingexplorer.net/ru. В комплексе реализована возможность формирования отдельного слоя геоинформационной системы (ГИС) по выбранным оператором параметрам, таким как: судно или группа судов, период года, географическая местность (широта, долгота), результаты дистанционного зондирования мирового океана, в том числе по площади ледовых полей, сплоченности льда от сервисов национального центра данных по снегу и льду - http://nsidc.org или от сервисов системы данных и информации по наблюдения Земли (EOSDIS) -https://earthdata.nasa.gov, информацию о ледовой обстановке в арктических морях, оперативную и прогнозную от суток до месяца, содержащую данные о ледообразовании в течение календарного года, типу льда, его возрасте и толщине - по открытым данным государственного научного центра «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» - http://www.aari.ru или по открытым данным ФГБУ «Администрация Северного морского пути» http://www.nsra.ru/ru/navigatsionnaya_i_gidrometinformatsiya/icecharts.html или по данным монографии Думанской И.О. «Ледовые условия морей азиатской части». Данный способ выполняется в следующей последовательности. При планировании перехода судна по заданному маршруту посредством судовой аппаратуры приема и обработки метеорологической спутниковой информации получают параметры гидрометеорологических характеристик по маршруту движения судна. С использованием средств электронной связи (преимущественно сети интернет) получают архивную и оперативную информацию о прошлых маршрутах движения судов, аналогичных по своим тактико-техническим характеристикам выбранному судну. Информация содержит сведения о географических координатах маршрута, скорости, курсе, осадке и конечной точке движения судна в выбранном географическом регионе, перекрывающей планируемый маршрут судна. Также получают результаты дистанционного зондирования мирового океана, в том числе по площади ледовых полей, сплоченности льда, получают информацию о ледовой обстановке в арктических морях, архивную, оперативную и прогнозную от суток до месяца, содержащую данные о ледообразовании в течение заданного календарного периода, типу льда, его возрасте и толщине.

Комплекс программно-аппаратных средств обработки, выполненный в виде специализированного автоматизированного рабочего места (АРМ), производит обработку полученной информации. В АРМ все исходные и оперативные данные в графическом виде вносятся в электронную картографическую навигационную информационную систему (ЭКНИС) для соответствующего района плавания судна, при этом в автоматическом режиме на назначенную оператором ширину по оси планируемого маршрута судна наносятся дополнительные информационные слои, содержащие данные о текущей и прогнозной ледовой обстановке (сплоченности и толщине льда) на даты планируемого перехода судна, а также информация о подобных переходах судов в прошлые периоды с аналогичной климатической картиной, включая их повторяемость. Программными средствами выполняется расчет толщины льда по формуле. Полученные результаты наносятся на электронную карту и далее строится маршрут следования судна выбранного класса в ледовом поле в пределах генерального направления движения судна.

Данный способ определения толщины льда в ледовых полях арктических морей расчетным путем с целью выбора оптимального пути судна заданного ледового класса в заданном регионе не является оперативным, так как основан на использовании архивной информации. Кроме того, ввиду того, скорость судна во льдах из-за неравномерности движения судна изменяется в широких пределах, что требует приборного измерения скорости при движении в режиме «on line». С учетом того, что судовые измерители скорости имеют существенную инерционность при выработке значений скорости и более того могут терять работоспособность в этих условиях, то измеряемая скорость будет иметь существенную погрешность.

Общим недостатком известных способов и систем мониторинга ледовых образований являются ограниченные функциональные возможности, так как они позволяют напрямую измерить фактически один параметр - толщину ледового образования или его дрейф.

Известны также БЛА, оснащенные комплексами наблюдения за внешней обстановкой (заявка WO №2015179624 А1, 26.11.2015 [31], патенты RU №128868 U1, 10.06.2013 [32], RU №2565335 С2, 20.10.2015 [33], RU №2387080 С1, 20.04.2010 [34], US №7749323 В2, 06.07.2010 [35], RU №264220201, 24.01.2018 [36]). Например, известный комплекс наблюдения [36] содержит БЛА и мобильный пульт контроля и управления. БЛА снабжен четырьмя гидролыжами, расположенными соответственно в носовой и кормовой частях корпуса и на оконечностях каждого крыла. При этом каждая гидролыжа выполнена в виде гондолы, снабженной впускными и выпускными клапанами. Гидролыжи, расположенные соответственно в носовой и кормовой частях корпуса аппарата, снабжены вертикальными движителями, а гидролыжи, расположенные на оконечностях каждого крыла, снабжены горизонтальными движителями. В комплекс наблюдения дополнительно введены радиодоплеровская система измерения скорости и высоты полета БЛА, электронная навигационная картографическая система, доплеровский гидроакустический лаг, соединенные с маршрутным вычислительным устройством. Обеспечивается расширение функциональных возможностей БЛА с одновременным повышением достоверности при выполнении видеосъемки.

Известен комплекс авианаблюдения (патент RU №2015067 [37]), содержащий БЛА с автономным электроприводом, передвижной контейнер и систему дистанционного управления. БЛА выполнены в виде вертикально взлетающих платформ с четырьмя жестко закрепленными двигателями с воздушными винтами и снабжены системой автоматической посадки.

Недостатками известного малогабаритного комплекса авианаблюдения [37] являются недостаточная устойчивость и динамичность БЛА в режиме полета и в режиме «зависания» в воздухе по причине использования только четырех электродвигателей, а также высокие массогабаритные показатели комплекса авианаблюдения и высокие требования эффективности силовой установки по причине наличия автономной электрической системы для зарядки БЛА электроэнергией, выполненной в виде блока электродвигателя внутреннего сгорания, генератора или маховичного накопителя энергии.

Известен также комплекс авианаблюдения (патент RU №2232104 [38]), содержащий БЛА с электродвигателями и воздушными винтами, радиоуправляемой бортовой системой обеспечения полета, бортовой приемопередающей аппаратурой и устройством видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектре с передатчиком изображения, а также мобильный пульт контроля и управления с наземной приемопередающей аппаратурой, приемником видеоданных и радионавигационной системой управления БЛА, при этом радиоуправляемая бортовая система обеспечения полета БЛА и радионавигационная система управления беспилотным летательным аппаратом снабжены корректируемыми посредством глобальной навигационной системы инерциальными блоками с микромеханическими вибрационными гироскопами - акселерометрами.

Недостатками известного БЛА и комплекса авианаблюдения для него [38] является недостаточная устойчивость и динамичность БЛА в режиме полета и в режиме «зависания» по причине использования только четырех электродвигателей в конструкции винтовой вертикально взлетающей платформы БЛА, а также наличие дополнительных расходов электроэнергии вследствие использования для управления движением взлетающей платформы двух рулевых машинок, которые изменяют вектор тяги каждого воздушного винта с электродвигателем относительно корпуса БЛА.

В известном техническом решении (RU №2518440 С1 [39]) предложен БЛА, содержащий несущий каркас и электродвигатели с воздушными винтами, связанные с аккумуляторной батареей, в котором на несущем каркасе в вершинах воображаемого многоугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, шесть электродвигателей с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения, связанных с маршрутным вычислительным устройством, которое связано с инерциальным измерительным устройством и блоком приема и обработки данных спутниковой навигационной системы.

При этом диаметрально расположенные электродвигатели имеют встречное направление вращения, а маршрутное вычислительное устройство выполнено с возможностью управления частотой вращения электродвигателей, при этом обеспечения горизонтального положения БЛА по сигналам инерциального измерительного устройства, а также обеспечения контроля и управления БЛА на основании координат спутниковой навигационной системы по сигналам блока приема и обработки данных спутниковой навигационной системы для выполнения в автоматическом режиме полетного задания с возвращением на взлетную площадку. Электродвигатели зафиксированы в одной плоскости и имеют электронные регуляторы оборотов.

Известный БЛА также содержит прикрепленный к шасси поворотно-наклонный гидростабилизированный подвес, выполненный с возможностью установки средств видеонаблюдения и аэрофотосъемки и связанный с блоком управления поворотно-наклонным гидростабилизированным подвесом, который связан с маршрутным вычислительным устройством.

Инерциальное измерительное устройство в микроисполнении содержит акселерометр, магнитометр, микрогироскоп и барометр.

Маршрутное вычислительное устройство, инерциальное измерительное устройство и блок приема и обработки данных спутниковой навигационной системы образуют бортовую систему обеспечения полета.

Данный БЛА также содержит трекер и систему аварийной посадки, связанные с маршрутным вычислительным устройством.

Недостатком известных технических решений является ограниченная широта наблюдений.

Из известных БЛА, наиболее предпочтительным вариантом для решения задач мониторинга ледовой обстановки в северных морях является БЛА, предложенный в техническом решении [36].

Комплекс авианаблюдения ([36]) содержит БЛА и мобильный пульт контроля и управления, при этом БЛА включает в себя несущий каркас, на котором в вершинах воображаемого многоугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, шесть электродвигателей с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения, связанных с аккумуляторной батареей и с маршрутным вычислительным устройством, которое связано с инерциальным измерительным устройством, мобильным пультом контроля и управления, системой видеонаблюдения и блоком приема и обработки данных спутниковой навигационной системы, причем диаметрально расположенные электродвигатели имеют встречное направление вращения, а маршрутное вычислительное устройство выполнено с возможностью управления частотой вращения электродвигателей, при этом обеспечения горизонтального положения летательного аппарата по сигналам инерциального измерительного устройства, обеспечения изменения курса и высоты летательного аппарата по сигналам телеметрии с мобильного пульта контроля и управления, обеспечения контроля и управления летательным аппаратом на основании координат спутниковой навигационной системы по сигналам блока приема и обработки данных спутниковой навигационной системы для выполнения в автоматическом режиме полетного задания с возвращением на взлетную площадку, а также с возможностью обеспечения визуального контроля за полетом по сигналам видеоданных системы видеонаблюдения, дополнительно введены радиодоплеровская система измерения скорости и высоты полета беспилотного летательного аппарата, электронная навигационная картографическая система, доплеровский гидроакустический лаг, соединенные с маршрутным вычислительным устройством. При этом БЛА содержит маршрутное вычислительное устройство, связанное с блоком приема и обработки сигналов спутниковой навигационной системы, инерциальным измерительным устройством (содержащим акселерометр, магнитометр и барометр), трекером, системой аварийной посадки, блоком управления поворотно-наклонного гиростабилизированного подвеса, сонаром, шестью электродвигателями с воздушными винтами, четыре гидролыжи, расположенными, соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА и на оконечностях каждого крыла, при этом каждая гидролыжа выполнена в виде гондолы, снабженной впускными и выпускными клапанами, гидролыжи, расположенные, соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА снабжены вертикальными движителями, а гидролыжи, расположенные на оконечностях каждого крыла снабжены горизонтальными движителями.

БЛА, входящий в состав комплекса авианаблюдения дополнительно содержит приемно-передающую радиосистему, устройство видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектре и передатчик видеоданных. Мобильный пульт контроля и управления содержит портативный персональный компьютер, связанный с мобильной приемно-передающей радиосистемой, приемником видеоданных, монитором, специализированным пультом управления БЛА, мобильным индивидуальным устройством отображения видеоданных, радиодоплеровскую систему измерения скорости и высоты полета БЛА, электронную навигационную картографическую систему, доплеровский гидроакустический лаг, блок детектирования гамма-излучения.

БЛА выполнен с возможностью движения в режимах полета, надводного и подводного плавания.

Режимы движения непосредственно на заданных горизонтах гидросферы осуществляются посредством четырех гидролыж, расположенных, соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА и на оконечностях каждого крыла, при этом каждая гидролыжа выполнена в виде гондолы, снабженной впускными и выпускными клапанами, гидролыжи, расположенные соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА, снабжены вертикальными движителями, а гидролыжи, расположенные на оконечностях каждого крыла, снабжены горизонтальными движителями.

Маршрутное вычислительное устройство может состоять из микропроцессора, буферных регистров, запоминающих устройств, интерфейсных схем. Данное исполнение БЛА является наиболее рациональном при его использовании в северных морях для решения задачи безопасного судовождения в ледовых условиях. Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей способа разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых БЛА.

В качестве прототипа выбраны способ разведки ледовой обстановки с использованием телеуправляемых БЛА [1] и беспилотный аппарат и комплекс наблюдения для него [36].

Поставленная задача решается за счет того, что в способе разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов, включающим передачу от них на обеспечивающее судно по радиоканалу связи полученных ими данных о ледовой обстановке по курсу движения каравана судов, при этом указанную разведку выполняют двумя беспилотными летательными аппаратами, первым из которых, оборудованным видео-радио аппаратным комплексом, производят непосредственное определение характеристик ледовой обстановки по курсу судов и передачу по каналу связи полученных данных на обеспечивающее судно через второй беспилотный летательный аппарат, являющийся летательным аппаратом-ретранслятором, при этом первый беспилотный летательный аппарат используют с установленным дополнительно на нем акустическим аппаратно-программным комплексом с излучающими акустическими антеннами для выполнения измерений ультразвуковым методом толщины льда путем непосредственного контакта антенн этого летательного аппарата со льдом, при этом, поднимая с борта судна данные летательные аппараты, выводят их на курс движения судов и задают высотные эшелоны полета, отвечающие требованиям по качеству связи и получаемых данных; устанавливают посредством видео аппаратного комплекса данного первого беспилотного летательного аппарата характеристики масштабов неоднородности ледовых полей, данные о которых через аппарат-ретранслятор передают на обеспечивающее судно и при необходимости производства измерений толщины льда намечают требуемое число точек его непосредственного контактного измерения, а также и их распределение по курсу движения судов в реальном времени, и при осуществлении измерений телеуправляемо подводят первый беспилотный летательный аппарат к необходимой точке измерений, производят его посадку на поверхность льда, осуществляют непосредственный контакт со льдом излучающих антенн его аппаратно-программного комплекса и начинают измерения; процесс измерения осуществляют двумя режимами, в первом из которых посредством аппаратно-программного комплекса производят зондирование короткими акустическими импульсами с высокочастотным заполнением, осуществляя режим прямого высокочастотного зондирования, и производят прием отраженных импульсов высокочастотной антенной, при этом аппаратно измеряют время пробега высокочастотного импульса от верхней поверхности льда и обратно, получая при этом в аппаратно-программном комплексе величину двойной толщины льда, в случае же отсутствия в аппаратно-программном комплексе сигнального импульса от нижней поверхности льда включают второй, параметрический, режим измерений, в котором двумя задействованными, контактирующими со льдом высокочастотной и низкочастотной акустическими антеннами с совмещенными их диаграммами направленности излучают два радиоимпульса, из которых первый используют заполненным немодулированной высокой частотой, а несущую низкую частоту второго радиоимпульса используют модулированной сложным, шумоподобным сигналом, получая таким путем параметрические гармоники и суммарные и разностные частоты, и при этом, при происходящем затухании высокочастотных составляющих, низкочастотные составляющие, модулированные сложным сигналом, которые распространяются до нижней поверхности льда, в этом режиме аппаратно воспринимают, осуществляя их прием низкочастотной антенной, а информационный параметр в аппаратно-программном комплексе, выраженный в виде показания задержки времени сигнала на распространение в толще льда, определяют корреляционной его обработкой, результаты которой фиксируют в аппаратно-программном комплексе измеряемую толщину льда в этом режиме; затем отправляют полученные результаты измерений по каналу связи оператору на судно, при этом результаты измерений представляют в виде карты толщин ледового поля либо в виде единичного результата, который используют при ледовой проводке судов по данному курсу, в котором в отличие от прототипа, дополнительно выполняют лазерное сканирование и тепловизирную съемку ледовых полей посредством измерительной аппаратуры, установленной на первом беспилотном летательном аппарате, посредством аппаратуры, установленной на втором беспилотном летательном аппарате воздействуют на ледовые поля когерентным импульсным протонным спиновым эхом, определяют коэффициенты сопротивления и трения, по которым определяют прочностные характеристики ледовых полей и грунта на нескольких горизонтах по глубине грунта и ледового поля в диапазоне от 3 до 20 м по всей длине акватории от береговой линии, измеряют температуру воздуха, морской воды и ледового образования и по разности температур определяют объем и внешнюю конфигурацию ледового образования, определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом, при акустическом сканировании льда используют высокочастотные звуковые колебания 130 кГц и выше на основе метода нелинейного или параметрического эффектах, при этом по значениям температуры, солености и давлению вычисляют значения скорости звука для каждой исследуемой области ледового образования, причем вертикальный профиль температуры и солености получают в трехмерном пространстве, выполняют томографическое восстановление изображения исследуемого айсберга или торосистого ледового образования на уровне решетки льда - тридимита с выявлением трещин и изломов, производят топологический анализ возможных опасных областей и формируют необходимое число информационных массивов координат точек границ опасных ледовых областей, выполняют кластеризацию многомерных данных.

Поставленная задача также решается за счет того, что комплекс наблюдения, содержащий беспилотный аппарат и мобильный пульт контроля и управления, при этом беспилотный аппарат включает в себя несущий каркас, на котором в вершинах воображаемого многоугольника жестко зафиксированы по меньшей мере шесть электродвигателей с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения, связанных с аккумуляторной батареей и с маршрутным вычислительным устройством, которое связано с инерциальным измерительным устройством, мобильным пультом контроля и управления, системой видеонаблюдения и блоком приема и обработки данных спутниковой навигационной системы, причем диаметрально расположенные электродвигатели имеют встречное направление вращения, а маршрутное вычислительное устройство выполнено с возможностью управления частотой вращения электродвигателей, при этом обеспечения горизонтального положения аппарата по сигналам инерциального измерительного устройства, обеспечения изменения курса и высоты аппарата по сигналам телеметрии с мобильного пульта контроля и управления, обеспечения контроля и управления летательным аппаратом на основании координат спутниковой навигационной системы по сигналам блока приема и обработки данных спутниковой навигационной системы для выполнения в автоматическом режиме полетного задания с возвращением на взлетную площадку, а также с возможностью обеспечения визуального контроля за полетом по сигналам видеоданных системы видеонаблюдения, радиодоплеровскую систему измерения скорости и высоты полета беспилотного аппарата, электронную навигационную картографическую систему, доплеровский гидроакустический лаг, соединенные с маршрутным вычислительным устройством, причем радиодоплеровская система измерения скорости и высоты полета беспилотного аппарата включает четыре приемопередатчика, два из которых размещены на крыльях беспилотного аппарата и выполнены двухлучевыми, а два других приемопередатчика размещены в носовой и кормовой оконечностях беспилотного аппарата и выполнены однолучевыми, в котором в отличие от прототипа, комплекс наблюдения выполнен в виде двух беспилотных летательных аппаратов, один из которых выполнен с возможностью посадки и погружения на глубину на 20 м и дополнительно снабжен сейсмографом, пенетрометром, источником когерентного импульсного протонного спинового эха, измерителями температуры воздуха, воды и ледового образования.

Использование первого БЛА, снабженного измерительным акустическим аппаратно-программным комплексом с излучающими акустическими антеннами, обеспечивает выполнение измерений ультразвуковым методом толщины льда при непосредственном контакте со льдом антенн этого аппаратно-программного комплекса посаженного на лед данного БЛА, передающего через второй БЛА полученные и корреляционно обработанные его аппаратно-программным комплексом результаты излучающих измерений на обеспечивающее судно. Этим достигается увеличение достоверности данных о толщине льда, в отличие от неконтактных ее оценок, увеличение информативности и точности ледовой разведки с авиационных средств. При этом сами измерения в намечаемых предварительно точках производят по необходимости в зависимости от результатов предварительного определения характеристик масштабов неоднородности ледовых полей, определяемых посредством видео-радио аппаратного комплекса первого БЛА и передаваемых через второй БЛА (ретранслятор) на обеспечивающее судно. Это предотвращает излишние неоправданные экономические затраты заявляемого способа ледовой разведки, использующего видео-радио, аппаратно-программный комплекс БЛА. Комплекс ледовой разведки, реализующей заявленный способ, содержит два дистанционно управляемых БЛА. Первый БЛА несет традиционный для авиаразведки видео/радио аппаратно-программный комплекс (далее АПК1), дополненный измерительным акустическим аппаратно-программным комплексом (АПК2), для измерения толщины льда, характеризующийся глубиной измеряемой толщины льда "Н" Н≥3 м. Для управления полетом БЛА1 связан радиоканалом с частотой F - 2.4 ГГц, с БЛА2, выполняющим роль ретранслятора. БЛА2 осуществляет также двухстороннюю радиосвязь с этой же частотой с ледоколом в реальном времени.

Ледокол посредством телеканала управляет маршрутом движения БЛА1 и БЛА2, используя видеосвязь с частотой F - 1.2 ГГц, и определяет, в соответствии с предварительно получаемыми данными АПК1 о ледовой обстановке по курсу судов, точки трассы, в которых совершенно определенно требуется измерить толщину льда с использованием АПК2. При этом частота радиоканала "F", равная 2.4 ГГц, выбрана исходя из списка существующих радиочастот, а видеотракт F - 1,2 ГГц выбран более низкого диапазона, в отличие от тракта радиоуправления, чтобы максимально повысить дальность передачи видеоизображения, передаваемого как при телеуправляемых полетах, так и при автономном полете.

Работу комплекса ледовой разведки осуществляют следующим порядком. При следовании судна (каравана судов) в сложной ледовой обстановке, требующей ледовой разведки, с борта соответствующего судна поднимают телеуправляемые БЛА1 и БЛА2, выводят их на маршрут и задают высотные эшелоны полета, отвечающие, благодаря используемым частотам радиосвязи, требованиям по качеству связи и получаемых данных. Устанавливают посредством видео-радио АПК1 характеристики масштабов неоднородности ледовых полей, данные о которых через БЛА2 передают на обеспечивающее судно, и при необходимости определения толщины льда производят посадку БЛА1 на лед для осуществления непосредственного акустического контакта с ним акустической антенны. При этом требуемое число точек с измерениями толщины льда и их распределение по маршруту устанавливают по необходимости в зависимости от масштабов неоднородностей ледовых полей, определяемых предварительно, причем их устанавливают в реальном времени.

При необходимости данного производства измерений толщины льда намечают требуемое число точек его непосредственного контактного измерения, а также и их распределение по курсу движения судов в реальном времени, и при осуществлении измерений телеуправляемо подводят первый БЛА1 к необходимой точке измерений, производят его посадку на поверхность льда, осуществляют непосредственный контакт со льдом излучающих антенн его аппаратно-программного комплекса (АПК2) и начинают измерения.

Процесс измерения осуществляют двумя режимами, в первом из которых посредством данного аппаратно-программного комплекса производят зондирование короткими акустическими импульсами с высокочастотным заполнением, осуществляя режим прямого высокочастотного зондирования, и производят прием отраженных импульсов высокочастотной антенной, при этом измеряют время пробега высокочастотного импульса от верхней поверхности льда и обратно, получая при этом в данном аппаратно-программном комплексе величину двойной толщины льда. В случае же отсутствия в аппаратно-программном комплексе сигнального импульса от нижней поверхности льда включают второй, параметрический режим измерений, в котором двумя задействованными, контактирующими со льдом указанными высокочастотной и низкочастотной акустическими антеннами с совмещенными их диаграммами направленности излучают два радиоимпульса, из которых первый используют заполненным немодулированной высокой частотой, а несущую низкую частоту второго радиоимпульса используют модулированной сложным, шумоподобным сигналом, получая таким путем параметрические гармоники и суммарные и разностные частоты. И при этом, при происходящем затухании высокочастотных составляющих, низкочастотные составляющие, модулированные сложным сигналом, которые распространяются до нижней поверхности льда, в этом режиме воспринимают, осуществляя их прием низкочастотной антенной, а информационный fc параметр в аппаратно-программном комплексе, выраженный в виде показания задержки времени сигнала на распространение в толще льда, определяют корреляционной его обработкой, результаты которой фиксируют в аппаратно-программном комплексе измеряемую толщину льда в этом режиме. Затем отправляют полученные результаты измерений по каналу связи оператору на судно, при этом результаты измерений представляют в виде карты толщин ледового поля либо в виде единичного результата, который используют при ледовой проводке судов по данному курсу.

При этом достигается возможность увеличения достоверности данных о толщине льда при ледовой разведке и исключается субъективность при интерпретации получаемых данных и излишние неоправданные экономические затраты. К недостаткам данного способа следует отнести субъективный характер выбора требуемого числа точек с измерениями толщины льда и их распределением по маршруту, который устанавливают в зависимости от масштабов неоднородностей ледовых полей, определяемых предварительно, т.е. для реализации данной операции необходимо привлечение дополнительных средств, с помощью которых выявляют масштабы неоднородностей ледовых полей и их распределение по маршруту. Система электропитания БЛА содержит два независимых источника: аккумуляторную батарею питания бортовой системы обеспечения полета и силовую аккумуляторную батарею питания электродвигателей.

Как и в прототипе, конструкция несущего каркаса БЛА может состоять из шасси, штанг, креплений электродвигателей с воздушными винтами, объединяющей несущей пластины и защиты верхней пластины. К шасси прикреплен поворотно-наклонный гиростабилизированный подвес. На несущей пластине размещена бортовая система обеспечения полета БЛА и аккумуляторная батарея питания бортовой системы обеспечения полета, на шасси размещена силовая аккумуляторная батарея питания электродвигателей. На поворотно-наклонном гидростабилизированном подвесе размещено устройство видеонаблюдения. Электродвигатели расположены в вершинах воображаемого правильного шестиугольника на несущей конструкции повышенной прочности. Электродвигатели 9, расположенные диаметрально, имеют встречное направление вращения, при этом маршрутное вычислительное устройство выполняет следующие функции: непосредственно управляет частотой электродвигателей и на основе сигналов инерциального измерительного устройства обеспечивает горизонтальное положение БЛА; по сигналам спутниковой навигационной системы определяет координаты и передает их на мобильный пульт контроля и управления, по сигналам телеметрии с мобильного пульта контроля и управления изменяет курс и высоту БЛА; а также на основе заложенной в него программы в отсутствие связи с мобильным пультом контроля и управления на основании координат спутниковой навигационной системы GPS/ГЛОНАСС выполняет в автоматическом режиме полетное задание с возвращением на взлетную площадку, и обеспечивает визуальный контроль за полетом по сигналам передаваемых видеоданных, а также по сигналам мобильного пульта контроля и управления изменяет положение системы видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектрах, установленной на гиростабилизированный подвес и передает видеоданные на мобильный пульт контроля и мониторинга, а также на монитор, входящий в его состав.

Конструктивно БЛА состоит из нескольких плат, рамы и бесколлекторных электродвигателей. Детали смонтированы так, чтобы обеспечить стабильность полета и неподвижное положение в режиме «висения» (зависания) в воздухе. БЛА управляется при помощи пульта управления как радиоуправляемая модель. Гиростабилизированный подвес имеет независимое управление. Дальность устойчивого ручного управления на частоте 2,4 ГГц составляет до 1-1,5 км, практически ограничивается визуальной досягаемостью аппарата. Дальность передачи телеметрии на частоте 900 МГц на расстояние 700 м в прямой видимости. Дальность контролирования БЛА может быть увеличена при передаче с него видеосигнала в режиме реального времени, а при наличии глобального позиционирования есть возможность почти не следить за аппаратом. БЛА выполнен с возможностью самостоятельного полета в заданную точку кратчайшим маршрутом. При емкости аккумулятора 5-8 Ач, высота подъема может достигать нескольких сотен метров, что позволяет решать задачи ведения аэрофотосъемки, мониторинга лесных пожаров, транспортировки малогабаритных грузов, осмотра труднодоступных объектов, применения в сельскохозяйственных целях. При потере связи с мобильным пультом контроля и управления БЛА переходит в автоматический режим и способен выполнить предустановленные команды, после чего долететь до пункта назначения, руководствуясь данными системы глобального позиционирования. Основой для технологической выполнимости настоящего БЛА и комплекса авианаблюдения являются успехи в нескольких микротехнологиях, в особенности технологиях микроэлектромеханических систем. Эти системы объединяют планарные электронные микрокомпоненты с сопоставимыми по размерам пространственными электромеханическими структурами различной сложности, что обеспечивает уникальные функциональные возможности. В настоящее время такие устройства (например, бесколлекторный электродвигатель на ниодиевых магнитах AXI 2814/22, акселерометр XL335B, пьезоэлектрический гироскоп ALI 037) производятся промышленным способом.

При этом комплекс авианаблюдения содержит прикрепленный к шасси поворотно-наклонный гидростабилизированный подвес, связанный с блоком управления поворотно-наклонным гидростабилизированным подвесом, который связан с маршрутным вычислительным устройством, инерциальное измерительное устройство в микроисполнении содержит акселерометр, магнитометр, микрогироскоп и барометр, маршрутное вычислительное устройство, инерциальное измерительное устройство, система видеонаблюдения и блок приема и обработки данных спутниковой навигационной системы образуют бортовую систему обеспечения полета, бортовая система обеспечения полета расположена на объединяющей несущей пластине, система видеонаблюдения содержит устройство видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектре и передатчик видеоданных, расположенные в бортовой системе обеспечения полета, а также приемник видеоданных, расположенный в мобильным пульте контроля и управления, устройство видеонаблюдения установлено на поворотно-наклонном гидростабилизированном подвесе, бортовая система обеспечения полета содержит приемно-передающую радиосистему, связанную с маршрутным вычислительным устройством и выполненную с возможностью обмена данными по радиоканалу с мобильной приемно-передающей радиосистемой, расположенной в мобильным пульте контроля и управления, мобильный пульт контроля и управления содержит портативный персональный компьютер, подключенный к мобильной приемно-передающей радиосистеме, блоку приема и обработки сигналов спутниковой навигационной системы, приемнику видеоданных, пульту управления БЛА и мобильному индивидуальному устройству отображения видеоданных, трекер и систему аварийной посадки, связанные с маршрутным вычислительным устройством. Дополнительно комплекс авианаблюдения содержит радиодоплеровскую систему измерения скорости и высоты полета БЛА, электронную навигационную картографическую систему, доплеровский гидроакустический лаг, соединенные с маршрутным вычислительным устройством.

Посредством радиодоплеровской системы измерения скорости и высоты полета БЛА, которая включает четыре приемопередатчика, два из которых размещены на крыльях БЛА и выполнены двухлучевыми, а два других приемопередатчика размещены в носовой и кормовой оконечностях беспилотного летательного БЛА и выполнены однолучевыми измеряют скорость движения БЛА в режиме полета и движении по водной поверхности по изменению доплеровской частоты в накрест лежащих лучей, формируемых двухлучевыми приемопередатчиками, а также высоту полета и параметры волнения посредством однолучевых приемопередатчиков. Электронная навигационная картографическая система представляет собой стандартизированную систему, посредством которой осуществляют совмещение на навигационной карте района полета видеоинформации, получаемой посредством устройства видеонаблюдения в видимом и инфракрасном спектрах с учетом данных, получаемых посредством приемно-передающей радиосистемы, инерциального измерительного устройства, спутниковой навигационной системы, радиодоплеровской системы измерения скорости и высоты полета БЛА, а также посредством доплеровского гидроакустического лага при движении по водной поверхности или непосредственно на заданных горизонтах гидросферы. Режимы движения непосредственно на заданных горизонтах гидросферы осуществляются посредством четырех гидролыж, расположенных, соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА и на оконечностях каждого крыла, при этом каждая гидролыжа выполнена в виде гондолы, снабженной впускными и выпускными клапанами, гидролыжи, расположенные соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА, снабжены вертикальными движителями, а гидролыжи, расположенные на оконечностях каждого крыла, снабжены горизонтальными движителями.

Четыре гидролыжи, расположенные соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА и на оконечностях каждого крыла, предназначены также для осуществления безопасной посадки и взлета БЛА в морских условиях.

БЛА также снабжен четырьмя гидролыжами, расположенными соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА и на оконечностях каждого крыла, при этом каждая гидролыжа выполнена в виде гондолы, снабженной впускными и выпускными клапанами, гидролыжи расположены, соответственно в носовой и кормовой частях корпуса БЛА, снабжены вертикальными движителями, а гидролыжи, расположенные на оконечностях каждого крыла, снабжены горизонтальными движителями, что обеспечивает движение БЛА по водной поверхности и погружение БЛА на заданный горизонт погружения и движение БЛА в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Доплеровский гидроакустический лаг включает гидроакустическую антенну, приемопередающее устройство, устройство выделения доплеровских частот, вычислительное устройство, индикатор, синхронизатор, в том числе устройства первичной обработки (приемные усилители, схемы оценивания доплеровского смещения, АЦА, ЦАП) и вторичной обработки (расчет компонент вектора скорости, учет дестабилизирующих факторов, ведение временной диаграммы, АРУ, АРМ, интерфейс с другими средствами навигации), в котором выполняют разделение четырех лучей, формируемых гидроакустической антенной, восемь кольцевых буферов, на которые поступают выходные коды АЦП для разделения четырех лучей, формируемых гидроакустической антенной, блок компенсации по углам качек, рыскания и вертикальной составляющей скорости носителя доплеровского гидроакустического лага и течений на глубинах плавания, блок управления буферной памятью, которые своими выходами соединены с вычислительным устройством. Гидроакустическая антенна и приемопередающее устройство конструктивно могут быть размещены в одном корпусе.

В зависимости от габаритов БЛА на нем могут быть размещены несколько гидроакустических антенн, например, в носовой и кормовой части аппарата непосредственно на днище или на выносных кронштейнах по левому и правому бортам.

Также возможно размещение одной гидроакустической антенны с приемопередающим устройством и двух приемников, оси характеристик направленности которых пересекаются на одном горизонте с осью характеристики направленности акустического излучателя-приемника. При этом последовательно изменяют углы наклона характеристик направленности первого и второго акустического приемников, которые расположены на фиксированных расстояниях от излучателя-приемника на одном горизонте с ним. Измеряют времена прихода принятых сигналов, определяют по их значениям, значению скорости звука на горизонте акустических источника и приемников, известным расстояниям между ними значения скорости звука в водоеме на заданных горизонтах. Излучают или монохроматический импульсный акустический сигнал малой длительности, или сложный импульсный акустический сигнал с гиперболической частотной модуляцией, при использовании которой времена прихода принятых сигналов определяют по временному положению максимумов взаимно корреляционных функций излучаемого и принятых сигналов.

Устройство регистрации изображения профиля льдин может быть выполнено в виде параметрического акустического локационного средства и/или устройства лазерного сканирования, и/или устройства для фотосъемки, и/или устройства тепловизионной съемки и также содержит персональный компьютер, блок хранения и воспроизведения электронных карт, модуль построения двухмерного и/или трехмерного изображения льдин, Устройство для измерения толщины льдин представляет собой акустический локатор, принцип работы которого основан на импульсном методе лоционирования льда (Linearisierung des Schreibermasstabes vom Seitensicht - Sonar. Kilian Zech, Marszal Tacek / Wiss. Z. Wik / Ihelm-Pieck-Univ. Rostok, Naturwiss. R., 1986. - V. 34, №3, p. 36-40).

В отличие от известных импульсных методов лоционирования льда данный метод реализуется при непрерывном высокочастотном излучении. При этом в отличие от используемых методов лоционирования льда, в которых для обеспечения высокой разрешающей способности используют высокочастотные звуковые колебания (100 кГц и выше) используется метод, основанный на нелинейных или параметрических эффектах (В.А. Воронин, С.П. Тарасов, В.И. Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону, ООО «Ростиздат», 2004, с. 11-42), что обусловлено тем, что непосредственное применение известного частотного диапазона для измерения толщины льда затруднено из-за затухания акустических волн в толще льда.

Для исключения этого недостатка в конкретной технической реализации акустического локатора непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, и за счет нелинейных эффектов во льду распространяется низкочастотная волна. Толщина льда определяется по величине запаздывания низкочастотного сигнала, отраженного от границы лед-воздух, по отношению к огибающей сигнала, отраженного от границы вода-лед.

Персональный компьютер представляет собой промышленную микро ЭВМ с жидкокристаллическим дисплеем и необходимым программным обеспечением на основе микропроцессора семейства A8rR фирмы АТМЕС. Приемник системы спутниковой навигации через порт соединен с микро ЭВМ. Электронные навигационные карты для необходимого района исследований выводятся на монитор, при проведении исследований на акваториях, оборудованных географическими ориентирами, естественными или искусственными, с известными координатами, что позволяет определять положение льдин с привязкой по координатам.

Наличие на борту носителя устройств лазерного сканирования, аэрофотосъемки и тепловизионной съемки позволяет также выполнить оперативную оценку состояния ледяного покрытия, в части возрастных стадий льдов и их частной сплоченности по градациям (молодые - однолетние - старые льды).

Устройство регистрации изображения профиля ледовых образований может быть также выполнено в виде зонда протонного спинового эха, снабженного спектрометром протонного спинового эха и блоком обработки спин-релаксационных параметров, аналог которого известен (Зверев С.Б. Новый метод исследования динамики вод океана. Владивосток. Труды Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, т.3, 1990, с. 160-172). Устройство может быть установлено как непосредственно на поверхности ледового образования, в том числе и айсберга, в телескопическом устройстве, управляемом по радиоимпульсам, так и размещено в морской среде при нахождении БЛА в подводном положении. Посредством блока обработки спин-релаксационных параметров выполняют детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды в жидкой (омываемой айсберг) и твердой фазах (лед).

При этом определяют t - время и l - длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии или импульса. Параметры t и l, которые характеризуют затухание во времени и пространстве взаимного влияния молекул (Большая советская энциклопедия. Под ред. Прохорова A.M. 3-е издание, т.21. М., 1975, «Советская энциклопедия», с. 1854).

Так как время протонной спин-решетчатой релаксации морской воды изменяется в зависимости от температуры (Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. М.: Наука, 1979, с. 261. Мельниченко Н.А. Океанология. 1975, с. 839-841), то ввиду разности температур воздуха, морской воды и ледяного образования определяется объем ледового образования и его внешняя конфигурация.

Длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования, определяют в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом.

При этом томографическое восстановление изображения исследуемого айсберга или торосистого ледового образования выполняют на уровне решетки льда - тридимита, что позволяет выявить трещины и изломы, анализ которых позволит принять наиболее правильное решение по транспортировке или разрушению айсберга при угрозе нарушения безопасной эксплуатации морских нефтегазовых терминалов месторождений.

Посредством аппаратуры БЛА2 по измеренным коэффициентам сопротивления и трения посредством блока пенетрометров определяют прочностные характеристики грунта.

Пенетрометры представляют собой конусовидные снаряды, оснащенные датчиками, которые под действием силы тяжести или с помощью бура заглубляются в грунт и устанавливаются с судна в направлении от береговой линии вглубь моря. При этом измеряют коэффициенты сопротивления и трения, по которым определяют прочностные характеристики грунта на нескольких горизонтах по глубине грунта в диапазоне от 3 до 20 м по всей длине акватории от береговой линии. При последующем анализе устанавливают структуру грунта и выносят суждение о принадлежности той или иной структуры патент подводного грунта к структуре грунта континентального шельфа.

БЛА2 после посадки на ледовое поле может быть использован в качестве дрифтера, что позволяет определить дрейф ледового образования относительно судна с размещенными на них приемопередатчиками спутниковой навигационной системы и/или аппаратурой гидроакустического канала связи.

Применение БЛА2 в качестве дрифтеров, оснащенных приемником спутниковой навигационной системы и аппаратурой гидроакустического канала связи, в качестве навигационных маяков, расположенных на морской ледовой поверхности, позволяет определить путь движения ледовых полей (дрейф) относительно судна ледового плавания или каравана судов с большей достоверностью, так как при этом обеспечивается возможность реализации высокоточной навигации по сравнению с известными способами определения дрейфа морских льдов.

Очевидно, что расположение БЛА2 в качестве навигационного дрифтера на ледяной поверхности не требует проведения относительной и абсолютной калибровок полигона, который необходим при использовании ИСЗ, так как наличие у дрифтера спутникового навигационного приемника позволяет ему «знать» свои географические координаты в реальном масштабе времени с высокой точностью (не хуже 5 метров). Навигация дрифтера (БЛА2), находящегося на ледяной поверхности (ледовом поле) относительно каравана судов может осуществляться по гидроакустическому каналу связи как в режиме с длинной, ультракороткой базой (ДБ и УКБ), так и в комбинированном режиме ДБ/УКБ, а также по спутниковой навигационной системе.

По результатам измерений строится цифровая модель исследуемого рельефа льда.

Источниками исходных данных для создания цифровой модели рельефа льда (ЦМР) помимо полученных результатов измерений могут являться топографические карты при проведении исследований в прибрежной зоне, аэрофотоснимки, космические снимки, данные альтиметрических измерений, морские навигационные карты.

При этом принята следующая технология построения ЦМР (Суворов С.Г., Дворецкий Е.М., Коваленко С.А. Методика создания цифровых моделей рельефа повышенной точности. // Информация и космос. №1, 2005 - с. 52-54).

Вся доступная информация оцифровывается. Полученные от разнообразных источников данные сводятся в единый набор координат точек и высот в них. Этот набор триангулируется (методом Делоне). Процедура триангуляции дает систему непересекающихся треугольников, покрывающих рассматриваемую область поверхности льда (TIN-модель). В результате чего рельеф ледового образования представляется многогранной (элементарная грань - треугольник) поверхностью с высотными отметками (отметками глубин) в узлах треугольной сети. Каждая грань этой поверхности описывается либо линейной функцией (полиэдральная модель), либо полиномиальной поверхностью, коэффициенты которой определяются по значениям в вершинах граней-треугольников. Эта технология в различных вариантах реализована во всех применяемых на практике геоинформационных систем. При отображении на мониторе пути перемещения льдов выявляют потенциально опасные ледовые поля, определяют дистанцию сближения и запас времени для принятия решения по локализации потенциально опасного ледового поля.

Способ реализуется следующим образом.

По снимкам, полученным с БЛА1, воспроизводят на мониторе изображения ледовых полей, находящихся на акватории движения судов. На основе полученной информации производят топологический анализ возможных опасных областей и формируют необходимое число информационных массивов координат точек границ областей чрезмерного сближения для каждого ледового поля, формируют формуляр ледовых полей (номер цели, размер ледового поля, скорость и направление движения относительно добычной платформы). На основе анализа данных формуляра выявляют потенциально опасные ледовые поля, которые при сближении с судами могут нарушить безопасную их эксплуатацию.

При нахождении БЛА1 в гидросфере используют гидроакустический канал связи.

При решении навигационных задач с использованием гидроакустического канала при глубинах моря более одного километра целесообразно работать на частотах в диапазоне от 8 до 15 кГц, при этом энергетическая дальность связи с дрифтером будет достигать 10-14 км, а погрешность определения координат аппарата составит 7-10 метров в режиме ДБ и 0,3% от дальности в режиме УКБ и 0,5 град, по углу пеленгации. При глубине моря менее одного километра целесообразно использовать рабочие частоты в диапазоне 25-35 кГц и работать в режиме УКБ. При этом максимальная дальность связи будет достигать порядка 3 км.

Каждый сигнал дрифтера (БЛА1) имеет специальный формат и кодировку и несет в себе информацию о географических координатах дрифтера (определенных посредством спутниковой навигационной системы), его индивидуальном номере, направлении и скорости его перемещения совместно с ледовым полем.

Передача гидроакустических сигналов на приемник гидроакустических сигналов, размещенный на судне, осуществляется в режиме «запрос-ответ» или режиме «пингер». Приемник фиксирует дистанцию и пеленг до дрифтера (режим УКБ) и вычисляет его точные географические координаты, используя информацию, принятую от спутниковой навигационной системы. Скорость передачи по гидроакустическому каналу связи составлять 9600-12400 бод.

По сравнению с известными способами определения толщины объекта, преимущественно морских ледовых образований, включая айсберги, предлагаемый способ более прост по техническому исполнению, более объективен, а используемые технические средства для его реализации основаны на промышленной базе.

Источники информации

1. Патент RU №2631966 С1, 29.09.2017.

2. Патент RU №123393 U1, 27.12.2012.

3. Заявка RU №2014141127 А, 10.05.2016.

4. Патент RU №153808 U1, 10.08.2015.

5. Патент RU №83140 U1, 20.05.2009.

6. Заявка WO №2012162310 А1, 29.11.2012.

7. Заявка US №20140062764 А1, 06.03.2014.

8. Патент RU №2442106.

9. Патент RU №2425400.

10. Патент CN №105775141 А, 20.07.2016.

11. Патент RU №2612754 С1, 13.03.2017.

12. Патент RU №2621276 С1, 02.06.2017.

13. Патент CN №105607100 А, 25.05.2016.

14. Патент RU №2683806 С1, 02.04.2019.

15. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Результаты наблюдений за естественными деформациями ледяных полей. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988, №12, с. 75-78.

16. Патент на полезную модель RU №84999 U1, 20.07.2009.

17. Смирнов В.Н., Степанюк И.А. «Методы измерений характеристик динамики ледяного покрова» Санкт-Петербург. Гидрометеоиздат, 2001. с. 30-48.

18. Патент RU №2427011 С1, 20.08.2011.

19. Smirnov V.N., Shushlebin A.I., Sheikin I.В., Nikitin V.A., Seismic activity of landfast ice, Proceeding of the Fifth Int. Offshore and Polar Engineering Conf. The Netherlands, June 11-16, 1995, pp. 364-368, v.2.

20. Патент RU №2362971 C2, 27.07.2009.

21. Заявка DE №102012020093 A1, 17.04.2014.

22. Патент RU №2621276 C1, 02.06.2017.

23. Smirnov V.N., Korostelev V.G., Shushlebin A.I. Monitoring of the dynamics of fast ice and icebergs. Proceedings 17-th Int. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic Conditions (POAC 03), 2003, pp. 709-713.

24. Смирнов B.H. О изгибно-гравитационных колебаниях ледяного покрова моря Дейвиса. Бюллетень советской антарктической экспедиции. №61, 1967, с. 61-65.

25. Патент RU №2082095 С1, 20.06.1997.

26. Патент RU №2449326 С2, 27.04.2012.

27. Заявка RU №2017110594 А, 01.10.2018.

28. Патент RU №2694085 С1, 09.07.2019.

29. Исследование ледяного покрова с помощью радиолокационных станций бокового обзора (РЛС БО). - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - С. 6-9.

30. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб. Наука, 2007, с. 88-116.

31. Заявка WO №2015179624 А1, 26.11.2015.

32. Патент RU №128868 U1, 10.06.2013.

33. Патент RU №2565335 С2, 20.10.2015.

34. Патент RU №2387080 С1, 20.04.2010.

35. Патент US №7749323 В2, 06.07.2010.

36. Патент RU №2642202 С1, 24.01.2018.

37. Патент RU №2015067.

38. Патент RU №2232104.

39. Патент RU №2518440 С1.

Группа изобретений относится к разведке ледовой обстановки. Способ разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов (БЛА) заключается в том, что разведку выполняют двумя БЛА, первым производят определение характеристик ледовой обстановки и передают данные на обеспечивающее судно через второй БЛА, являющийся ретранслятором. При этом выполняют лазерное сканирование и тепловизионную съемку ледовых полей, воздействуют на них когерентным импульсным протонным спиновым эхом, определяют прочностные характеристики ледовых полей и грунта, определяют объем и внешнюю конфигурацию ледового образования, определяют длину корреляции динамических переменных, выполняют томографическое восстановление изображения торосистого ледового образования на уровне решетки льда-тридимита с выявлением трещин и изломов, производят топологический анализ опасных областей и формируют массивы координат точек границ опасных ледовых областей, выполняют кластеризацию многомерных данных. Также заявлен комплекс наблюдения, содержащий два беспилотных аппарата и мобильный пульт контроля и управления. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей разведки ледовой обстановки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.

1. Способ разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов, включающий передачу от них на обеспечивающее судно по радиоканалу связи полученных ими данных о ледовой обстановке по курсу движения каравана судов, при этом указанную разведку выполняют двумя беспилотными летательными аппаратами, первым из которых, оборудованным видео/радио аппаратным комплексом, производят непосредственное определение характеристик ледовой обстановки по курсу судов и передачу по каналу связи полученных данных на обеспечивающее судно через второй беспилотный летательный аппарат, являющийся летательным аппаратом-ретранслятором, первый беспилотный летательный аппарат используют с установленным дополнительно на нем акустическим аппаратно-программным комплексом с излучающими акустическими антеннами для выполнения измерений ультразвуковым методом толщины льда путем непосредственного контакта антенн этого летательного аппарата со льдом, при этом, поднимая с борта судна данные летательные аппараты, выводят их на курс движения судов и задают высотные эшелоны полета, отвечающие требованиям по качеству связи и получаемых данных; устанавливают посредством видео аппаратного комплекса данного первого беспилотного летательного аппарата характеристики масштабов неоднородности ледовых полей, данные о которых через аппарат-ретранслятор передают на обеспечивающее судно и при необходимости производства измерений толщины льда намечают требуемое число точек его непосредственного контактного измерения, а также и их распределение по курсу движения судов в реальном времени, и при осуществлении измерений подводят первый беспилотный летательный аппарат к необходимой точке измерений, производят его посадку на поверхность льда, осуществляют непосредственный контакт со льдом излучающих антенн его аппаратно-программного комплекса и начинают измерения; процесс измерения осуществляют двумя режимами, в первом из которых посредством аппаратно-программного комплекса производят зондирование короткими акустическими импульсами с высокочастотным заполнением, осуществляя режим прямого высокочастотного зондирования, и производят прием отраженных импульсов высокочастотной антенной, при этом измеряют время пробега высокочастотного импульса от верхней поверхности льда и обратно, получая при этом в аппаратно-программном комплексе величину двойной толщины льда, в случае же отсутствия в аппаратно-программном комплексе сигнального импульса от нижней поверхности льда включают второй, параметрический, режим измерений, в котором двумя задействованными, контактирующими со льдом высокочастотной и низкочастотной акустическими антеннами с совмещенными их диаграммами направленности излучают два радиоимпульса, из которых первый используют заполненным немодулированной высокой частотой, а несущую низкую частоту второго радиоимпульса используют модулированной сложным, шумоподобным сигналом, получая таким путем параметрические гармоники и суммарные и разностные частоты, и при этом, при происходящем затухании высокочастотных составляющих, низкочастотные составляющие, модулированные сложным сигналом, которые распространяются до нижней поверхности льда, в этом режиме аппаратно воспринимают, осуществляя их прием низкочастотной антенной, а информационный параметр в аппаратно-программном комплексе, выраженный в виде показания задержки времени сигнала на распространение в толще льда, определяют корреляционной его обработкой, результаты которой фиксируют в аппаратно-программном комплексе измеряемую толщину льда в этом режиме; затем отправляют полученные результаты измерений по каналу связи оператору на судно, при этом результаты измерений представляют в виде карты толщин ледового поля либо в виде единичного результата, который используют при ледовой проводке судов по данному курсу, отличающийся тем, что дополнительно выполняют лазерное сканирование и тепловизионную съемку ледовых полей посредством измерительной аппаратуры, установленной на первом беспилотном летательном аппарате, посредством аппаратуры, установленной на втором беспилотном летательном аппарате воздействуют на ледовые поля когерентным импульсным протонным спиновым эхом, определяют коэффициенты сопротивления и трения, по которым определяют прочностные характеристики ледовых полей и грунта на нескольких горизонтах по глубине грунта и ледового поля в диапазоне от 3 до 20 м по всей длине акватории от береговой линии, измеряют температуру воздуха, морской воды и ледового образования и по разности температур определяют объем и внешнюю конфигурацию ледового образования, определяют длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом, при акустическом сканировании льда используют высокочастотные звуковые колебания на основе метода нелинейного или параметрического эффектах, при этом по значениям температуры, солености и давлению вычисляют значения скорости звука для каждой исследуемой области ледового образования, причем вертикальный профиль температуры и солености получают в трехмерном пространстве, по разности температур воздуха, морской воды и ледяного образования определяется объем и его внешняя конфигурация, выполняют томографическое восстановление изображения исследуемого айсберга или торосистого ледового образования на уровне решетки льда - тридимита с выявлением трещин и изломов, производят топологический анализ возможных опасных областей и формируют необходимое число информационных массивов координат точек границ опасных ледовых областей, выполняют кластеризацию многомерных данных.

2. Способ разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что при мониторинге состояния дрейфующего ледяного поля или припая и прогноза его разлома при сжатии льдов и воздействии волн зыби выполняют фиксацию поля упругих волн сейсмостанциями, размещенными на беспилотным летательном аппарате, и ориентированными по странам света, при этом на дрейфующем ледяном поле или припае фиксируются напряженно-деформированное состояние и одновременно поле упругих волн, а также положение ледяного поля в пространстве и во времени с помощью приледненного беспилотного летательного аппарата, оснащенного приемником глобальной спутниковой системы позиционирования и сейсмостанциями, каждая из которых состоит из трехкомпонентного сейсмометра, двухкомпонентного наклономера, двух деформометров, двух датчиков напряжений, ориентированных по странам света, а измеренные данные поступают на модуль сбора и обработки данных в режиме реального времени, располагаемую на судне.

3. Способ разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что определение толщины морского льда, включающее облучение морского льда зондирующими импульсами и измерение временного интервала между раздельными сигналами с томографическим восстановлением изображения, выполняют путем определения длины корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования, в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях при воздействии на объект исследования когерентным импульсным протонным спиновым эхом, а томографическое восстановление изображения исследуемого объекта выполняют на уровне решетки льда - тридимита.

4. Способ разведки ледовой обстановки с использованием дистанционно управляемых беспилотных летательных аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что по результатам расчета толщины льда в заданном регионе строят оптимальный маршрут следования судна выбранного класса по точкам с допустимыми для данного класса расчетными толщинами льда в пределах генерального направления движения судна.

5. Комплекс наблюдения, содержащий два беспилотных аппарата и мобильный пульт контроля и управления, при этом каждый из беспилотных аппаратов включает в себя несущий каркас в форме многоугольника, на вершинах которого жестко зафиксированы по меньшей мере шесть электродвигателей с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения, связанных с аккумуляторной батареей и с маршрутным вычислительным устройством, которое связано с инерциальным измерительным устройством, мобильным пультом контроля и управления, с системой видеонаблюдения и блоком приема и обработки данных спутниковой навигационной системы, причем диаметрально расположенные электродвигатели имеют встречное направление вращения, а маршрутное вычислительное устройство выполнено с возможностью управления частотой вращения электродвигателей, обеспечения горизонтального положения аппарата по сигналам инерциального измерительного устройства и обеспечения изменения курса и высоты аппарата по сигналам телеметрии с мобильного пульта контроля и управления, а также маршрутное вычислительное устройство выполнено с возможностью выполнения в автоматическом режиме полетного задания с возвращением на взлетную площадку по сигналам блока приема и обработки данных спутниковой навигационной системы, а также с возможностью обеспечения визуального контроля за полетом по сигналам видеоданных системы видеонаблюдения, комплекс наблюдения также содержит радиодоплеровскую систему измерения скорости и высоты полета беспилотного аппарата, электронную навигационную картографическую систему, доплеровский гидроакустический лаг, которые соединены с маршрутным вычислительным устройством, отличающийся тем, что один из двух беспилотных летательных аппаратов выполнен с возможностью приледнения и погружения на глубину 20 м и дополнительно снабжен сейсмографом, пенетрометром, источником когерентного импульсного протонного спинового эха, измерителями температуры воздуха, воды и ледового образования.

6. Комплекс наблюдения по п. 5, отличающийся тем, что устройство для измерения толщины льдин с борта носителя, посредством которого реализуется предлагаемый способ, содержит устройство регистрации изображения профиля льдин, устройство обработки в виде персонального или карманного компьютера, выход которого соединен с устройством отображения изображения в виде монитора, аналого-цифровой преобразователь зарегистрированных сигналов в цифровую матрицу данных изображения, вход которого соединен с выходом устройства регистрации изображения профиля льдин, а выход - с входом устройства обработки.

7. Комплекс наблюдения по п. 6, отличающийся тем, что устройство регистрации изображения профиля льдин выполнено в виде параметрического акустического локационного средства, персональный компьютер через порт соединен с приемником системы спутниковой навигации носителя, устройство отображения изображения содержит блок хранения и воспроизведения электронных карт, модуль построения двухмерного и/или трехмерного изображения льдин.