Способ разведки ледовой обстановки на северном морском пути
Владельцы патента RU 2694085:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" (RU)
Изобретение относится к способам определения ледовой обстановки. Сущность: получают спутниковые радиолокационные снимки, а также текущую и прогнозную информацию о ледовой обстановке, включающую основные характеристики ледового покрытия с учетом гидрометеорологической ситуации в регионе. Рассчитывают толщину льда, используя из баз данных информацию о ледопроходимости судна, скорости хода судна во льдах и в чистой воде. С учетом полученных данных строят оптимальный маршрут следования судна. Технический результат: определение оптимального маршрута следования судна без использования дополнительных технических средств. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к способам определения навигационных характеристик ледовой обстановки и может быть использовано при выборе маршрута следования судов ледового класса через морские ледовые поля арктических морей.
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.). Недостатком способа является невозможность его использования в условиях низкой облачности.
Известен способ определения ледовой обстановки по патенту РФ №2425400, МПК G01W 1/08, опубл. 03.12.2008, позволяющий исключить указанный недостаток. Сущность способа заключается в следующем: с обеспечивающего судна высылают по планируемому маршруту движения два беспилотных летательных аппарата (БЛА) с верхним и нижним эшелонами полета. Первый аппарат ведет разведку при помощи установленного на нем оборудования видео-фотосъемки и радара, второй - 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 данного способа является отсутствие возможности объективной оценки такого важного для судоходства параметра, как толщина льда.
В способе по патенту №2631966 этот недостаток устранен за счет того, что первый БЛА осуществляет измерение толщины льда установленным на нем измерительным акустическим аппаратно-программным комплексом с излучающими антеннами путем непосредственного контакта со льдом. При этом с обеспечивающего судна задают необходимые эшелоны полета, а также намечают необходимое число точек контактного измерения посредством видео/радио аппаратного комплекса летательного аппарата. Способ обеспечивает информативность и точность ледовой разведки, однако требует для реализации непосредственного контакта со льдом.
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. Наиболее эффективным средством наблюдений за состоянием ледяного покрова являются спутниковые радиолокационные системы, позволяющие получать информацию независимо от освещенности и наличия облачного покрова. В этом направлении совершенствуется технология спутникового мониторинга состояния ледяного покрова (см. 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). 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.
Известен способ по патенту РФ №2449326 МПК G01W 1/00, опубл. 27.04.2012, 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.
Указанный способ по технической сущности и назначению является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения. Недостатком прототипа является необходимость наличия гидроакустического измерителя, осуществляющего измерение толщины льда контактным путем.
Заявляемый способ позволяет решить проблему определения толщины льда не контактным, а расчетным путем.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе разведки ледовой обстановки на Северном морском пути, включающем так же, как и прототип, 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, в отличие от прототипа, толщину льда рассчитывают по формуле где Н - толщина льда, h - ледопроходимость судна, V - скорость хода судна во льдах, v - скорость хода судна в 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.
Заявляемое изобретение позволяет получить подробную информацию о толщине льда в заданном регионе расчетным путем и по полученным результатам построить 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. Указанный результат достигается за счет включения в итерационный расчет большого 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 в 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 (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 т.ч. 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».
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - определение толщины льда в ледовых полях арктических морей расчетным путем с целью выбора оптимального пути судна заданного ледового класса в заданном регионе - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Вместе с тем, проведенный информационный поиск в области навигации не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой системы критерию «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого способа поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлено изображение спутникового радиолокационного снимка района Карского моря с нанесенными на него результатами дистанционного мониторинга ледовой обстановки (сплоченности ледовых полей) в период зимней навигации 2018 года, значениями скоростей и направления движения судов класса ARC7. На рисунке стрелками обозначен курс следования судна, цифрами - скорость движения в узлах;
на фиг. 2 - изображен построенный оптимальный маршрут движения судна YamalMax ледового класса ARC7 в ледовых полях Карского моря с учетом расчетных минимальных толщин льда. На рисунке следующими линиями обозначены: ⎯ границы генерального направления следования судна, ----- оптимальный маршрут следования судна, о - расчетная толщина льда.
Предлагаемый 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 т.ч. 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 (фиг. 1), 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: 
где Н - толщина льда, h - ледопроходимость судна, V - скорость хода судна во льдах, v - скорость хода судна в чистой воде. Полученные результаты наносятся на электронную карту (фиг. 2) и далее строится маршрут следования судна выбранного класса в ледовом поле в пределах генерального направления движения судна.
Предлагаемое изобретение было создано специалистами Арктического факультета ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе цикла научно-исследовательских работ.
Были произведены расчеты толщины льда в ледовых полях в период зимней навигации 2017-18 гг. в районе перехода из Баренцева в Карское море в двух географические отдаленных районах: пролив Карские ворота, мыс Желания. Результаты расчетов легли в основу выбора оптимального пути для судов ледового класса ARC7 при переходе из Баренцева в Карское море (вход в акваторию Северного морского пути). Для расчетов использовались данные о движении следующих групп судов:
- проекта YamalMax, ледовый класс ARC7 (максимальная скорость на чистой воде - 19,5 уз., ледопроходимость - 2,1 метра)
- проекта 42К, ледовый класс ARC7 (максимальная скорость на чистой воде - 14,9 уз., ледопроходимость - 1,8 метра)
- проекта «Норильский никель», ледовый класс ARC7 (максимальная скорость на чистой воде - 15,5уз., ледопроходимость - 1,5 метра).
В дальнейшем, способ предполагается использовать для определения оптимального пути для произвольных направлений движения судов ледового класса в акватории всего Северного морского пути в любой период навигации.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».
1. Способ разведки ледовой обстановки на Северном морском пути, включающий получение спутниковых радиолокационных снимков, получение оперативных и прогнозных данных дистанционного мониторинга ледовой обстановки, содержащих основные характеристики ледового покрытия с учетом гидрометеорологической ситуации в заданном регионе, при этом полученную информацию обрабатывают в бортовом программно-вычислительном комплексе, отличающийся тем, что толщину льда рассчитывают по формуле 
, где H - толщина льда, h - ледопроходимость судна, V - скорость хода судна во льдах, ν - скорость хода судна в чистой воде, при этом данные расчета получают из баз данных о скорости движения судов с различными тактико-техническими характеристиками в заданном географическом регионе и паспортных данных судов, а также из баз данных о динамике ледообразования, типе, возрасте и толщине льда с привязкой по времени и географическому положению.
2. Способ 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.
