Развитие технологий социо-эколого-экономического мониторинга арктического пространства России, с применением беспилотных

Московский Государственный Университет Геодезии и Картографиии (МИИГАиК)
Развитие технологий социо-эколого-экономического мониторинга
арктического пространства России, с применением беспилотных
летательных аппаратов
Кривичев Александр Иванович,
к.э.н., МГУ имени М.В. Ломоносова
Залецкий Александр Васильевич,
менеджер ООО "ГЕОТЕХСЕРВИС"
"Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения
национальной безопасности на период до 2020 года“ (утверждена Президентом РФ
02.05.2014 г.)
Основные цели Стратегии:
1) развитие системы мониторинга геофизической обстановки в Арктической
зоне Российской Федерации с целью минимизации воздействия
экстремальных геофизических процессов (естественного и искусственного
происхождения) на среду обитания человека, включая системы связи и
навигации, транспортную и энергетическую инфраструктуру, а также
обеспечение функционирования Северного морского пути и безопасности
транзитных и трансполярных воздушных маршрутов в Арктике.
2) мониторинг состояния экосистем и объектов растительного мира;
2
"Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения
национальной безопасности на период до 2020 года“ (утв. Президентом РФ)
Основные Цели Стратегии:
3) совершенствование системы государственного экологического мониторинга
в Арктической зоне Российской Федерации, основанной на использовании
объективных и измеряемых показателей оценки состояния окружающей
среды, формировании системы наблюдения за состоянием и загрязнением
окружающей среды, использующей современные средства наблюдения
наземного, авиационного и космического базирования, интегрированной с
существующими и создаваемыми международными системами наблюдения
окружающей среды и обеспечивающей обнаружение и прогноз опасных и
экстремальных природных явлений в Арктической зоне Российской
Федерации, в том числе негативных климатических изменений, а также
своевременное обнаружение и прогнозирование чрезвычайных ситуаций
природного и техногенного характера;
3
"Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения
национальной безопасности на период до 2020 года“ (утв. Президентом РФ)
Основным механизмом реализации Стратегии, является Государственная программа
социально-экономического развития Арктической зоны Российской Федерации на
период до 2020 года и иные программы РФ;
Для реализация Стратегии необходимо:
а) формирование системы мониторинга и анализа состояния национальной
безопасности и уровня социально-экономического развития Арктической зоны
Российской Федерации с выделением ее в качестве самостоятельного объекта
государственного статистического наблюдения;
б) разработка единой национальной системы мониторинга состояния и загрязнения
окружающей среды Арктической зоны Российской Федерации, синхронизированной с
аналогичными международными системами.
4
Классификация БЛА по радиусу действия
Анализ технологий с применением беспилотных летательных аппаратов
(БЛА), которые стремительно распространяются по всему миру, показывает,
что технологические инновации опережают законодательные нормы,
регулирующие их использование.
Например, в США в настоящее время ведутся работы над интеграцией БЛА в
национальное воздушное пространство, что определяет их действие в
воздушном пространстве по правилам пилотируемых судов.
Согласно международной классификации «UVS International» определена
следующая классификация по дальности действия:
−
ближнего действия - до 25 км;
−
малой дальности - до 100 км;
−
средней дальности - до 500 км;
−
большой дальности - более 500 км.
5
20000 м
Доступные в России БАС
15000 м
8000 м
Орион
(«Транзас»,
разработка)
6000 м
Searcher
(Форпост «Ростех»)
Shiebel S100
(«Горизонт»)
1000 м
Zala Aero
Ближнего
действия
Часы
Орлан-10
Полсуток
Малой и средней дальности
Сутки
Большой дальности
Неделя
Большой продолжительности
6
полёта
Отечественные производители БАС
В России работает около пятидесяти производителей беспилотных
авиационных систем (БАС), причем все участники рынка отмечают вполне
благожелательное и конструктивное отношение у российских органов
управления воздушным движением и связывают это с негласным указанием
способствовать развитию данной технологии.
Суммарная выручка российских компаний, оперирующих на рынке
коммерческих беспилотников, оценивается в 1 млрд 400 млн ± 500 миллионов
рублей. При этом выручка большинства компаний за 2014 год меньше одного
миллиона рублей, и лишь 6% участников рынка получили выручку свыше 50
миллионов руб.
7
8
9
Классификация БЛА по радиусу эффективного действия в
Арктике
Для выполнения задач в Арктике более всего подходят беспилотники со
средней или большой дальностью полета для протяженных и
труднодоступных территорий. Использование БЛА малого радиуса действия
для таких территорий экономически невыгодно. В тоже время в условиях
низких температур и сильных ветров электродвигатели не в состоянии
обеспечить радиус эффективного действия. Поэтому чаще применяются
двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
10
Основные характеристики БЛА “Орлан-10
Параметр
Диапазон рабочих
температур
Значение
С
−30 до +40 °C
Двигатель
ДВС (бензин А-95)
Способ старта
с разборной катапульты
Способ посадки
на парашюте
Воздушная скорость
км/ч
90-150 км/ч
Масса полезной нагрузки
кг
до 5 кг
Взлетная масса
кг
14 кг
Макс. высота полета
м
5000
Продолжительность полета
ч
16 ч
Макс. допустимая скорость
ветра на старте
м/с
10 м/с
Макс. дальность
применения комплекса
км
120 км от наземной
станции управления
Стоимость 30-40 миллионов рублей
11
Основные характеристики БЛА “Орион” (разработка)
Параметр
Значение
Размах крыла
м
16,2
Длина
м
8
Высота
м
3,1
Колея
м
5
База шасси
м
3,2
Масса полезной нагрузки
кг
250…350
Взлетная масса
кг
1100
Диапазон скоростей полета
км/ч
140…250
Макс. высота полета
м
8000
Продолжительность полета
ч
24+
Практическая дальность
км
6000
Ситуационный план и расстояния
БЛА большой
продолжительности полёта
способны обеспечить
непрерывность мониторинга
всей Арктической зоны
Российской Федерации
Североморск
Штокмановское
ГКМ
Певек
Темп
МЛСП «Приразломная»
Тикси
Хатанга
Варандей
Хатанга
Норильск
Влияние санкций на развитие технологий с применением беспилотной
аэрофотосъемки (БАФС)
SkyRanger(Канада), цитата: «The SkyRanger does require an export license, as do most
things, and there are currently Canadian Sanctions on Russia,
and I’m afraid we aren’t able to get you a system.”
Для поставки БАС Skyranger требуется экспортная
лицензия, как для большинства товаров. В настоящее время
действуют канадские санкции в отношении России, и я
боюсь, что мы не сможем поставить Вам систему.
Стоимость БАС SkyRanger:
версия с EO/IR (HD and FLIR thermal) $65,000 USD ~ 4.5 миллиона рублей
версия с HDZOOM30 payload $135,000 USD ~ 9 миллионов рублей
14
Влияние санкций на развитие технологий с применением беспилотной
аэрофотосъемки (БАФС)
PrecisionHawk (Канада), цитата: «
Unfortunately, the current Canadian Sanctions against Russia
do not allow us to do business at this time. This is due to the»
current political atmosphere and we hope that these can be
resolved soon so that we may be able to do business!
К сожалению, канадские санкции против России не
позволяют нам вести бизнес в настоящее время. Это
связано с нынешней политической атмосферы, и мы
надеемся, что они могут быть решены в ближайшее время,
так что мы сумеем наладить бизнес!
Стоимости сенсоров $2,000 — $18,000
15
Влияние санкций на развитие технологий с применением беспилотной
аэрофотосъемки (БАФС)
IMSAR LLC. IMSAR, (США),
цитата:
«Just so you know, the NanoSAR-C is a
controlled product by the U.S. Government and
it will require an approved export license before
I can export it to you in Moscow.»
«Насколько Вам известно, «NanoSAR-С» является
продукцией контролируемой правительством США, и она
будет требовать утвержденную экспортную лицензию,
прежде чем я могу экспортировать ее для Вас в Москву.»
16
Отечественные производители полезной нагрузки
на БЛА
Одним из примеров производителей систем оптического наблюдения (СОН),
которые производятся в России для БЛА, является Уральский оптикомеханический завод (УОМЗ).
Производимая на УОМЗ система устанавливается на БЛА и позволяет вести
круглосуточный поиск, обнаружение и распознавание наземных, надводных
подвижных и неподвижных объектов (автомобиль, человек, животное и т. д.).
На международной авиационной выставке AIR FAIR 2014 (УОМЗ)
продемонстрировал гражданские системы оптического наблюдения СОН 730 и
СОН 820
17
Отечественные производители полезной нагрузки
на БЛА
СОН 820 включает два информационных
канала. По желанию заказчика система
может комплектоваться набором из
лазерного дальномера, телевизионного
и/или тепловизионного каналов. Вес
системы не превышает 5 кг.
СОН 730 - это самая легкая из
«дальнобойных» гражданских
систем оптического
наблюдения. При весе в 25
килограмм она способна
обнаруживать объекты на
расстоянии до 10 километров.
Телевизионная камера с
разрешением 1920х1080 и
дополнительной электронной
стабилизацией, матричный
охлаждаемый тепловизор с
разрешением 640х512 и
температурной
чувствительностью 0,03 К
18
Отечественные производители полезной нагрузки
на БЛА
Оптико-электронная система «Лаггар-Д»,
производство ОАО «НПО «Карат»
Оптико-электронная система «Лаггар-Д» устанавливается на
беспилотные самолеты, вертолеты, аэростаты и дирижабли, и
предназначена для обзора нижней полусферы (наблюдения за
наземными и надводными объектами) посредством
телевизионной камеры. В компактном корпусе размещена
гиростабилизированная цифровая камера с десятикратным
оптическим зумом. Общий вес системы составляет 900
грамм.
Начальник отдела корпоративный связей ОАО «НПО «Карат»: «Лаггар-Д» был разработан нами в
инициативном порядке. Сегодня мы видим его несовершенство, недоработки и проблемы с
конструкцией. В таком виде предлагать его Заказчику мы точно не будем, но и возможности
дальнейшей модернизации за собственные средства у нас нет. Хотя планы и понимание куда
двигаться дальше присутствуют. В принципе, при наличие Заказчика эти работы можно было бы
возобновить.
19
Беспилотные летательные аппараты, адаптированные к арктическим условиям,
с установленными на них оптическими системами и сенсорными датчиками,
могут помочь в решении следующих проблем:
1. В социальной сфере:
- обнаружение объектов жилищно-коммунального хозяйства в критическом
состоянии;
- обнаружение тепловых утечек зданий, теплосетей для организации
эффективного энергопотребления;
- видеотрансляция изображения, получаемого с помощью
гиростабилизированной системы оптического наблюдения на наземный
пункт, позволяет предупреждать аварийные ситуации, фиксировать
нарушения, отслеживать ситуацию на дорогах;
- температурный мониторинг тепловых сетей (трубопроводов);
- контроль и обеспечение безопасности массовых мероприятий в городах.
20
2. В экономической сфере:
- разведка и поиск оптимального пути прохождения судна во время навигации
во льдах;
- построение ледовых карт СЛО в районах навигации;
- уточнение и дополнение информации навигационно-гидрографического и
гидрометеорологического обеспечения навигации;
- мониторинг дрейфующих айсбергов в направлении буровых платформ;
- мониторинг оперативной обстановки для доставки грузов в
труднодоступные арктические районы;
- ортофотопланы, полученные при аэрофотосъемках, являются крайне
востребованными для организации кадастровой и землеустроительной
деятельности и могут обеспечить прозрачность в земельных отношениях,
наглядность при проведении градостроительного проектирования, улучшить
инвестиционный климат, позволить создать информационную базу сведений
для мониторинга состояния земель и объектов недвижимости;
21
Земельный контроль по результатм БАФС
Моделирование гидрологических
(паводковых) процессов по результатам БАФС
22
2. В экономической сфере:
- оценка износа основных фондов, в особенности транспортной,
промышленной и энергетической инфраструктуры;
- предварительная оценка проектов в строительстве;
- дополнение технических средств и технологических возможностей по
изучению, освоению и использованию арктических пространств и ресурсов;
- мониторинг свалок твердых бытовых отходов;
- мониторинг состояния объектов инфраструктуры, дорог, трубопроводов и
диагностика технического и коррозионного состояния высоковольтных
линий электропередач (ЛЭП), т.е. осуществление тепловизионного контроля
повреждений ЛЭП и практически любых энергонасыщенных объектов;
- учет поголовья одомашненных оленей;
23
Диагностика коррозии линий
электропередач и ветрогенераторов
Обнаружение дефекта в тепловом спектре
на ЛЭП
24
3. В экологической сфере:
- мониторинг радиоактивного загрязнения окружающей среды
промышленными объектами;
- мониторинг свалок твердых бытовых отходов;
- обнаружение тепловых источников загрязнения рек;
- определение границ загрязнения водоемов стоками термальных вод;
- мониторинг загрязнения нефтью арктического шельфа в районах
нефтепромыслов;
- измерение концентрации аэрозолей в районах вредных выбросов
промышленного производства;
- мониторинг противопаводковой обстановки и лесных пожаров;
25
Ядовитые выбросы в атмосферу г. Норильск
Городская свалка г. Талнах
26
3. В экологической сфере:
- мониторинг состояния воды, локализация источников ее загрязнения;
- измерение на больших высотах концентрации озона;
- измерение отражательной способности поверхности (альбедо);- мониторинг перемещения и поведения крупных животных дикой природы
(наблюдение за сухопутными/морскими животными).
- мониторинг состояния растительного покрова арктического пространства.
27
Рекомендуемые оптические и сенсорные системы, устанавливаемые на
БЛА в условиях Арктики
1. Система оптического наблюдения (СОН).
а) видимого спектра,
б) инфракрасного спектра.
2. Тепловизоры.
3. Радар с синтезированной апертурой.
4. Телевизионные камеры.
5. Лазерные сканеры
6. Метеорологические датчики.
28
Полезная нагрузка устанавливаемая на БЛА
Аэрофотокамера
Технические характеристики
АФА TAC
размер сенсора: 53 .9 mm x 40 .4 mm;
количество пикселей: 8984 x 6732 пикселей;
размер пикселя: 5 .2 μm;
глубина цвета: 16 бит;
эквивалент чувствительности:
- 60 MP —ISO 50 до 800
- 80 MP —ISO 35 до 800 ;
Вес: 1500 гр;
калибровка: метрическая калибровка линз.
АФА «Trimble Aerial Camera»
29
Полезная нагрузка устанавливаемая на БЛА
Радар с синтезированной апертурой
30
Тепловизор
Технические характеристики
Спектральный диапазон
Диапазон измерения температуры
(7,5 … 14) | мкм
Микроболометр фокальной плоскости, неохлаждаемый
(384 х 288), дополнительно .. улучшения разрешения "на (768
х 576)
(640 х 480), необязательно. Улучшения разрешения "к (1280 х
960)
(-40 … 1200) ° C, опционально> 2000 ° C
Точность измерения
± 1,5 К (0 … 100) ° C, ± 2% (<. 0 соответственно> 100) ° C
Детектор
Детектор формате (пиксель)
InfraTec VarioCAM 640 hr
Температурное разрешение при 30 ° C лучше, чем 0,08 К или 0,05 K в режиме премии
ИК-кадров
50/60 Гц
Цифровая видеокамера цвет
1.3 мегапикселя, с светодиодной подсветки видео
1.0/25 мм (30 х 23) ° с датчиком (384 х 288) пикселей 1.0/30
Стандартный объектив, поле зрения
мм (30 х 23) ° с датчиком (640 х 480) пикселей
SD-карта, FireWire (IEEE 1394) до 50/60 Гц, интегрированная
Хранение изображений
в режиме реального времени память
Динамический диапазон
16 Bit
PAL / NTSC-FBAS, S-Video, RS232, FireWire (IEEE 1394),
Интерфейсы
WLAN
стандартными, готовых литий-ионный аккумулятор (быстро
Источник питания
перезаряжаемый, с дисплей)
Рабочая температура, инкапсуляция
(-15 … 50) ° C, IP54
Размеры
(133 х 106 х 110) мм
Вес
1,5 кг (всей системы)
31
Orlan-10
Ptero
Geoscan
БПЛА «ЭЛЕРОН Т23 “АРКТИКА”»
Zala Aero
Supercam
32
Основные выводы
1.
Необходимы прорывные отечественные разработки беспилотных авиационных
систем, отвечающих современному уровню технологий для реализации
«Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения
национальной безопасности на период до 2020 года“
2.
Необходим комплексный подход к устойчивому социо-эколого-экономическому
развитию на основе создания системы мониторинга, включающей в себя все
данные полученные с традиционных и перспективных источников.
3.
В арктических условиях экономически выгодно и оправдано применение
беспилотных летательных аппаратов средней и большой дальности.
4.
Необходимы государственные и частные инвестиции
технологий.
в развитие этих
33
Заключение
В целом наблюдается оживление мероприятий по налаживанию социо-эколого-экономического
мониторинга, но они носят несистемный характер и ориентированы на заказы крупных корпораций.
Научно-исследовательская экспедиция «Кара-зима-2015», организованная ОАО «НК «Роснефть» при
участии «Арктического научно-проектного центра» и специалистов ФГБУ «Арктический и
антарктический научно-исследовательский институт» стала самой масштабной по объему и составу работ
арктической экспедицией в мире за последние 20 лет. Исследовательские работы длились в течение десяти
недель с участием атомного ледокола «Ямал», который прошел по маршруту от Баренцева до ВосточноСибирского моря, практически вдоль всего побережья российской Арктики.
В ходе экспедиции был выполнен комплекс метеорологических, океанографических, ледовых,
гляциологических и биологических наблюдений. Специалисты изучили физико-механические свойства
льда (выполнено более 2 тысяч измерений на 35 ледовых станциях), морфометрические параметры
ровного льда и торосистых образований для расчета нагрузки на проектируемые инженерные сооружения.
Для исследования ледяного покрова использовались беспилотные летательные аппараты, позволяющие
выполнять площадную аэрофотосъемку льда, определять распределение гряд торосов и их геометрические
размеры. Для изучения строения морского дна, а также килей торосов и айсбергов применялись
телеуправляемые подводные аппараты и гидролокаторы.
34
Список источников:
Слайд 5—источник международный журнал «UVS International»
Слайд 6,12,13—источник:2-я международная конференция «Дистанционное зондирование Земли - сегодня и завтра», презентация
«Применение беспилотных летательных аппаратов
большой продолжительности полетов для освоения Арктических регионов: международный опыт и перспективы в Российской
Федерации» Владимира Воронова, к.т.н. Заместителя генерального директора Беспилотного направления по маркетингу, Члена Совета
директоров Российской ассоциации индустрии БАС, Санкт-Петербург, 7 июля 2014
Слайд 8, 9—источник:
1) http://b-mag.ru/2014/russia/ptichi-prava/ ;
2) «http://amb.aero/Drones_market.pdf?utm_medium=email&utm_source=UniSender&utm_campaign=43630922
Слайд 17—источник: http://www.soyuzmash.ru/news/uomz-predstavil-optiko-elektronnye-sistemy-na-vystavke-v-polshe
Слайд 18 —источник:
1) http://www.arms-expo.ru/news/archive/novuyu-produkciyu-predstavit-uomz-na-vystavke-v-nizhnem-tagile11-07-2011-12-17-00/
2) http://vpk.name/news/106370_sistemyi_opticheskogo_nablyudeniya_uomz.html
Слайд 21—источник: http://www.admin.tomsk.ru/pgs/384
Слайд 23—источник: http://aeryon.com/aeryon-skyranger
Слайд 25—источник:
1) http://www.yaplakal.com/forum2/st/0/topic855728.html ;
2) http://photos.wikimapia.org/p/00/04/96/86/60_big.jpg
Слайд 29—источник: http://www.imsar.com/pages/home.php
Слайд 31—источники: тепловизор http://teplovizo.ru/variocam-hr-research.htm
Слайд 32—источники:
1) Журнал «РОССИЙСКИЕ ПОЛЯРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ № 1 (15) 2014 г.»
2) http://geoscan.aero/ru/node/92
Слайд 34—источники:http://rosneft.ru/news/news_in_press/16062015.html
35
Спасибо за внимание!
36