Полярная морская навигация и системы позиционирования.
В последние годы глобальное потепление ускорило таяние полярных ледяных щитов, и эксперты прогнозируют, что Арктика может стать сезонно свободной ото льда уже к 2030 году. В условиях экономической глобализации ценность полярных регионов возрастает, привлекая внимание международного сообщества. Арктика является кратчайшим морским путем между Северо-Восточной Азией, Европой и Америкой, позволяя судам экономить до 40% времени по сравнению с маршрутами через Суэцкий или Панамский каналы. Полярные регионы богаты ресурсами, включая 13% мировых запасов нефти и 30% газа. Развитие полярных судоходных путей и ресурсов может существенно повлиять на энергетическую стратегию и экономическое развитие страны, что делает управление этими регионами важным аспектом полярной стратегии.
Экстремальные морские условия, такие как лед, низкие температуры и густой туман, требуют высокоточной навигационной поддержки для безопасного перемещения в полярных регионах. Однако существующие навигационные системы, разработанные для умеренных широт, могут не справляться с условиями Арктики и Антарктики. Удаленность этих регионов от материка предъявляет высокие требования к надежности навигационных систем. Поэтому необходимо разрабатывать новые механизмы и методы навигации для морских транспортных средств. Для достижения надежной навигации в полярных регионах важно исследовать механизмы и анализировать факторы, влияющие на производительность навигационного оборудования. В данной статье будет предложен новый метод классификации факторов полярной среды и проанализировано их влияние на навигационные системы. Также будет рассмотрено развитие полярной навигационной системы и технологические достижения, что предоставит справочную информацию для дальнейших исследований.
История развития и современное состояние полярного судоходства
Человечество имеет долгую историю полярных исследований. С эпохи Великих географических открытий до конца XIX века многие мореплаватели стремились открыть короткий путь на Восток через Северный Ледовитый океан. В начале XX века современные научные экспедиции начали заниматься полярными исследованиями, что способствовало развитию навигационного оборудования, включая астрономическую, инерциальную и спутниковую навигацию. Ранее масштабы исследований в полярных регионах были ограничены из-за отсутствия ориентиров, что создавало опасности. Проблемы возникали из-за вращающегося эллипсоида Земли и отсутствия направления на север на полюсах. Например, первый полет российского флота в высокие широты в 1914 году стал ранним примером использования навигационного оборудования. В 1941 году была предложена концепция навигации по сетке, использующая гироскоп для определения направления, которая была применена в миссии Aries I на Северный полюс в 1945 году. Эта схема помогла решить проблему выбора направления навигации в полярных регионах. Полярные научные экспедиции способствовали углублению понимания полярных регионов и испытанию нового навигационного оборудования. Русские ученые провели множество полярных летных испытаний после 1914 года, хотя информация о прогрессе оставалась конфиденциальной. В 1931 году USS Nautilus впервые исследовал Северный Ледовитый океан, используя секстант и гирокомпас для навигации в полярном регионе.
После Международного геофизического года 1957 года научная деятельность в Арктике значительно возросла, что ознаменовало конец эпохи полярного завоевания и начало периода полярного освоения для научных исследований. В это время увеличилось применение автоматизированных средств в полярной навигации. Инерциальная навигационная система N6A была использована атомной подводной лодкой USS Nautilus в 1958 году, успешно пересекшей полюс и продемонстрировавшей потенциал инерциальных систем в полярной навигации. Также инерциальная система MK49, используемая на подводных лодках США и НАТО, имеет полярный режим.
Спутниковая навигация в полярных регионах начала применяться с 1970 года, когда подводная лодка Scalloped Hammerhead была оснащена навигационным спутниковым приемником с погрешностью 0,2 морской мили. Трехантенный спутниковый навигационный компас МРК-11, разработанный Россией, также может работать до полюсов. Однако спутниковая навигация подвержена помехам в полярных условиях. Астрономическая навигация, основанная на наблюдении за звездами, продолжает использоваться. Подводные лодки USS Redfish и USS Nautilus применяли секстанты для калибровки инерциальной системы. В 1970 году Scalloped Hammerhead столкнулась с отказами навигационных систем, и секстант Type III использовался для калибровки при приближении к Арктике, обеспечивая точность определения местоположения более 3 морских миль благодаря непрерывному наблюдению.
Применение акустического навигационного оборудования в полярных регионах началось с подводной лодки USS Sailfin ВМС США в 1947 году. С тех пор США разработали гидроакустическую систему для подводных лодок класса флота, а Россия осуществляет акустическое позиционирование с помощью подводных, надводных и ледовых буев. С 1976 по 2000 год американские подводные лодки использовали гидролокационное оборудование для навигации под полярными льдами и пересекали полюс 36 раз.
Кроме систем определения местоположения, морским транспортным средствам требуются навигационные карты для планирования маршрутов. В 1941 году британский подполковник Маклур предложил концепцию навигации по сетке и условия для навигационных карт. В последующие 10 лет Хаггер, Мур и Бересфорд разработали требования к полярным навигационным картам, отметив преимущества полярной сферической проекции. В 1971 году Дайер предложил технологию полярной боковой навигации на основе поперечной проекции Меркатора.
В настоящее время США, Россия и другие страны имеют зрелые решения в области полярной навигации. В октябре 2018 года авианосец USS Truman прошел через Арктику для учений, что свидетельствует о практическом применении технологий полярной навигации. В 2019 году Россия провела учения по высадке десанта в Заполярье, подтверждая уровень зрелости технологий полярной навигации и позиционирования.
Влияние факторов полярной среды на навигационное оборудование
Из-за особого географического расположения Северного и Южного полюсов существует множество характеристик, отличных от характеристик регионов средних и низких широт, включая окружающую среду, сигналы (электромагнитные волны, световые волны, звуковые волны) и т. д. Поэтому необходимо создать более полную систему анализа, которая охватывала бы все особые условия в полярных регионах и могла бы четко и всесторонне анализировать их влияние на полярную эффективность навигационной системы.
Применение спутниковой навигации в полярных регионах ограничено качеством спутниковых сигналов, что обусловлено тремя основными факторами. Во-первых, хотя количество видимых спутников в полярных широтах больше, углы их наклона малы, что вызывает многолучевое распространение и тропосферную задержку, ухудшая качество сигналов. Во-вторых, магнитные бури и солнечные вспышки приводят к резким колебаниям общего электронного содержания (TEC), снижая точность работы навигационной системы. Наконец, суровые природные условия затрудняют создание наземных систем дополнения, что также влияет на точность навигации.
Эффективность астрономической навигации в полярных регионах ограничивается несколькими факторами, включая горизонтальную систему отсчета и видимость небесных тел. Погодные условия, такие как низкая облачность и снег, ухудшают видимость линии вода-небо, а морской лед мешает наблюдениям. В течение полярной ночи наблюдается недостаток света, что делает астрономическое позиционирование невозможным без искусственных опорных точек. Кроме того, в полярный день доступно лишь солнце, а в период тени звезды могут отсутствовать.
Акустическая навигация включает акустическое позиционирование и измерение глубины. В полярных регионах акустическая система сталкивается с трудностями из-за ледяного покрова и расстояния от материкового Китая, что затрудняет развертывание акустических маяков. Морской лед влияет на звуковые волны, вызывая их рассеяние и потерю энергии. Специальные звуковые каналы в полярных регионах также влияют на выбор частотного диапазона акустических сигналов.
Таяние и движение ледяного слоя приводят к сильным колебаниям подледного шума, что негативно сказывается на производительности акустической навигационной системы.
Геофизическая полевая навигация включает три системы: гравитационное согласование, геомагнитное согласование и сопоставление рельефа. Однако в полярных регионах отсутствуют высокоточные модели и данные о гравитации, геомагнетизме и рельефе. Быстрое движение геомагнитных полюсов требует обновления мировой модели каждые четыре года, а вблизи магнитных полюсов навигация по геомагнитному сопоставлению становится невозможной.
Работа магнитного компаса в полярных регионах также осложняется. Вблизи магнитных полюсов горизонтальная составляющая геомагнитного поля почти равна нулю, что делает компас неэффективным. Частые магнитные бури нарушают поле, а различия между магнитным и истинным севером увеличиваются с широтой, достигая 10° вблизи Берингова пролива. Движение магнитных полюсов приводит к нерегулярным изменениям магнитной разности, что дополнительно ухудшает точность навигации.
Навигационная система, обеспечивающая безопасность морских транспортных средств, играет ключевую роль в стратегии развития полярных регионов моей страны. Эта статья анализирует особенности полярной среды и их влияние на производительность навигационной системы, а также рассматривает текущий статус исследований инерциальной, спутниковой и акустической навигации, а также навигационных карт в этих регионах. В будущем технологии полярной морской навигации будут развиваться в следующих направлениях:
1) Технология сопоставления рельефа местности. Эта автономная навигационная система подходит для суровых условий полярных регионов, однако ограничена отсутствием данных о топографии морского дна. Современные многолучевые эхолоты, обладающие узким лучом и высокой эффективностью, могут создавать трехмерные карты морского дна даже в ледяных условиях. С развитием этой технологии значительно упростится съемка и картирование рельефа, что сделает сопоставление рельефа важной вспомогательной системой в полярных регионах.
2) Система полярного позиционирования, навигации и синхронизации (PNT). Полярная система PNT будет ключевой частью национальной системы PNT и обеспечит пользователей точной информацией о местоположении и времени. Для повышения надежности необходимо предусмотреть резервные источники информации и улучшить адаптивность навигационных систем в различных условиях, а также разработать технологии слияния данных для повышения точности навигации.
3) Технология имитационной проверки и оценки систем навигации полярных судов. После усовершенствования навигационного оборудования необходимо провести его тестирование для подтверждения технологических достижений. Условия полярных регионов затрудняют получение данных и проведение наземных экспериментов. Создание системы оценки производительности навигационных систем, подходящих для полярных условий, с использованием моделирования поможет избежать рисков в будущих полевых испытаниях.