Мониторинг Северного Морского пути

Аннотация

В данной статье мы рассмотрим значимость и преимущества мониторинга Северного Морского пути с использованием методов ДЗЗ, а также основные применяемые технологии и подходы к сбору и анализу данных. Мониторинг Северного Морского пути с помощью ДЗЗ открывает новые перспективы для улучшения безопасности, оптимизации транспортной логистики и более эффективного использования этого уникального морского маршрута. 

Введение в Северный Морской путь

Северный Морской путь (СМП), простирающийся вдоль северных побережий России от Атлантического океана до Тихого океана, представляет собой одно из наиболее важных направлений развития морской транспортной логистики с экономической точки зрения. Сокращение времени и расходов на доставку грузов между Европой и Азией открывает новые перспективы для торговли и экономического сотрудничества между различными регионами мира.

Еще во время Советского Союза произошёл значительный прорыв в освоении СМП. В 1932 году экспедиция под руководством О. Ю. Шмидта на ледоколе «Александр Сибиряков» впервые прошла Северным морским путём из Архангельска до Берингова пролива за одну навигацию. В 1930-е и 1940-е годы была создана инфраструктура, включая развитие портов и ледовых баз.

География маршрута СМП включает несколько морей: Баренцево, Карское, Восточно-Сибирское и Чукотское моря. Он проходит через архипелаги Новая Земля и Франца-Иосиф, а также вдоль побережья Сибири и островов Чукотки. Ключевыми точками на маршруте являются морские порты Мурманск, Нарьян-Мар, Диксон, Тикси, Певек, Анадырь, а также такие острова, как Земля Франца-Иосифа и остров Врангеля. 

Рисунок 1. Северный Морской путь и его акватория 

Этот путь имеет большой потенциал для развития международной торговли и освоения богатств арктического региона. В то же время СМП является сложной морской трассой, к которой необходимо подходить с особым вниманием и осторожностью. Переменный климат, суровые природные условия, низкие температуры, краткое лето и наличие подводных преград представляют серьезные вызовы для безопасной и эффективной навигации в этом районе.

В связи с этим, мониторинг Северного Морского пути становится неотъемлемой составляющей стратегии развития и обеспечения безопасности данного морского маршрута. При помощи современных технологий, таких как дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), возможно получать ценные данные и информацию о состоянии морской ледовой обстановки, суровых погодных условий, постоянно меняющейся морской топографии и других аспектах, влияющих на безопасность и эффективность прохождения этого маршрута.

Мониторинг Северного Морского пути (СМП)

Потенциальные преимущества космического мониторинга

Космическое мониторинговое сопровождение Северного морского пути представляет собой необходимый инструмент для эффективного управления и исследования Арктического региона. Сочетание спутниковых систем наблюдения и передачи данных позволяет получать информацию в режиме близкого к реальному времени и мониторить различные аспекты окружающей среды, включая ледовые условия, погодные события, состояние экосистемы и безопасность судоходства. 

Преимущества космического мониторинга для оптимального использования и безопасного преодоления Северного морского пути: 

1. Повышенная доступность.

Космические аппараты (КА) позволяют получать данные о Северном морском пути даже в удаленных и труднодоступных районах. Высокоорбитальные спутники обеспечивают широкий охват территории, что позволяет получать информацию о нескольких участках маршрута одновременно. Такая доступность данных является важным фактором при планировании плавания, принятии решений и управлении потенциальными рисками.

2. Постоянное наблюдение.

Космический мониторинг обеспечивает непрерывное наблюдение за СМП на протяжении всего сезона плавания. Это позволяет получать информацию о динамике изменения ледовых условий, погодных аномалий, течений и других факторов, которые могут влиять на безопасность и эффективность судоходства. Мониторинг способствует своевременному обнаружению изменений и принятию соответствующих мер.

3. Улучшение навигации.

С учетом особенностей СМП, таких как наличие льда и переменные метеоусловия, точная навигация является критическим фактором для безопасности судоходства. Данные, полученные с КА, позволяют получать информацию о состоянии льда, прогнозную информацию о погоде, течениях, а также о динамике изменения географической среды. Это помогает судам предотвращать столкновения со льдом, выбирать оптимальные маршруты и принимать решения в режиме реального времени.

4. Охрана окружающей среды.

Мониторинг способствует детальному изучению экологического состояния Арктического региона, своевременному обнаружению, мониторингу аварийных ситуаций, таких как нефтяные разливы или другие загрязнения морской среды. Благодаря космическим системам наблюдения можно реагировать на такие ситуации быстрее и эффективнее, что способствует сохранению уникальной арктической экосистемы.

Методы мониторинга.

Спутниковый мониторинг:

Для спутникового мониторинга СМП используются спутники, оснащенные оптико-электронными приборами, радиолокаторами, способными получать высококачественные изображения и данные о ледовых образованиях, а также метеорологическими датчиками, позволяющие получать данные о температуре и погодных условиях.

Мониторинг в оптическом диапазоне.

Оптический диапазон состоит из края ультрафиолетового (УФ), видимого, инфракрасного (ИК) диапазонов длин волн. Большинство космических аппаратов (КА) ведет съемку в видимом и ближним ИК диапазоне, так как человеческий глаз способен воспринимать изображения в видимом диапазоне, а ИК является полезным инструментом при анализе не только покрова льда, но и других объектов. Диапазон длин волн оптического спектра примерно составляет от 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный), хотя это может варьироваться в зависимости от конкретных приборов и сенсоров

Некоторые российские спутниковые системы, такие как "Арктика-М" и "Ресурс-П", оснащены оптическими и инфракрасными сенсорами, которые обеспечивают возможность наблюдения за ледовым покровом, облачностью и другими атмосферными параметрами. Полученные данные со спутников передаются на землю для анализа и создания актуальных карт ледовых условий СМП.

1. Определение типов льда и его концентрации: Оптические сенсоры на спутниках позволяют получать изображения высокого разрешения (1-10 м), с помощью которых можно определить типы льда, такие как открытая вода, тонкий лед, многолетний лед и др. Кроме того, инфракрасные сенсоры способны обнаруживать различные температурные зоны на ледовом покрове, что важно для оценки его стабильности.
2. Мониторинг движения льда: Спутниковые системы с оптическими и инфракрасными сенсорами позволяют отслеживать движение льда в режиме близкому к реальному времени., что важно в арктических морях для прогнозирования и предотвращения возможных столкновений со льдом для судов.
3. Обнаружение ледяных горбов и айсбергов: Оптические сенсоры на спутниках способны обнаруживать ледяные горбы и айсберги, что является важным для безопасной навигации. Их своевременное обнаружение и мониторинг помогает предупредить возможные столкновения и минимизировать риски для судов.

Радиолокационный мониторинг:

Радиолокационные системы используются для наблюдения за ледовыми образованиями на поверхности СМП. Они работают на основе принципа эхолокации, излучая электромагнитные волны в радиодиапазоне и регистрируя отраженный сигнал от льда и водной поверхности. Метод основан на разделении РЛ-сигналов, отраженных от участков открытой водной поверхности и начальных видов льда в разрывах, и сигналов, отраженных от полей однолетнего и многолетнего льдов. Толщина льда вычисляется по его возвышению на основе уравнения гидростатического равновесия. При этом используются фиксированные значения плотности морской воды и льда. Отличительной особенностью радиоволн является прохождение их через облачность.

Радиочастотные диапазоны:

1. X-диапазон: от 2,4 до 3,75 см (от 12,5 до 8 ГГц). Данные этого диапазона широко используются для решения задач военной разведки и для решения широкого ряда гражданских задач. Обладает высоким разрешением на местности (до 1 м) за счет небольшой (относительно других диапазонов) длины волны, но меньшем охватом территории. Из-за этого же свойства длины волны широко используется в метеорологии, эти радары более чувствительны к туману и облакам, состоящим из мельчайших капель воды, а также используются для обнаружения снежных осадков и зон неинтенсивного дождя, однако из-за низкой проникающей способности (Рис.2) меньше подходит для мониторинга ледяной толщи. Радиолокаторы этого диапазон используются на КА TerraSAR-X, TanDEM-X и CosmoSkyMed-1,2,3,4 и будет использоваться аппаратом Обзор-Р ((запуск запланирован на 2024г));
2. C-диапазон: от 3,75 до 7,5 см (от 8 до 4 ГГц). Данные этого диапазона находят наиболее широкое применение для решения мониторинга льда. Из-за своей доступности данных и широкой применимости, этот метод является наиболее универсальным и часто используется как в исследованиях, так и в практической деятельности. Радиолокаторы этого диапазона используются на КА ERS-1, ERS-2, ENVISAT, Radarsat-1 и Radarsat-2, Sentinel-1A и др.;
3. S-диапазон: от 7,5 до 15 см (от 4 до 2 ГГц). По сравнению с Х-диапазоном, S-диапазон чаще используется в радарах обнаружения на дальних расстояниях. В РФ имеется большой опыт по созданию спутников с данным диапазоном. Радиолокатор этого диапазона использовался на КА Алмаз и Кондор-ФКА;
4. L-диапазон: от 15 до 30 см (от 2 до 1 ГГц). Просвечивает растительность, в том числе не слишком плотный лес. Излучение данного диапазона может частично (на глубину до нескольких метров) проникать в сухой снег, молодой лед, в сухую почву. Использован на КА SEASAT, JERS-1, ALOS PALSARи др..;
5. P-диапазон: от 30 до 100 см (от 1 до 0,3 ГГц). Просвечивает растительность (в том числе, плотную), используются для оценки биомассы, просвечивает сухую почву, сухой снег, лед на глубину до нескольких метров. Реализован на авиа-носителях.

Проникающая способность радиолокационных лучей увеличивается с возрастанием длины волны;

Радары с длиной волны более 2 см просвечивают облачность, но при этом дождь и снег являются серьезным осложняющим фактором для РСА-систем с длинами волн до 4 см.

Рисунок 2. Проникающая способность волн в зависимости от диапазона

6. Поляризация сигнала:

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве. Параллельная горизонтальная (HH) поляризация ориентирована горизонтально относительно поверхности, а вертикальная поляризация (VV) - вертикально. Обычно для мониторинга ледяного покрова используется горизонтальная поляризация, поскольку она обеспечивает лучшую чувствительность к свойствам льда и имеет меньший уровень помех от других источников сигнала, а для мониторинга водной поверхности используется вертикальная.

Также существует кроссполяризации VH и HV. В таком случае облучение поверхности происходит в одной поляризации, а принимается отраженный сигнал в другой. Из-за сильного отражения от морской поверхности, близкого по уровню к отражению от суши, суда обнаруживаются только на перекрестной НV поляризации

.

Рисунок 3. Изображение судов на радиолокационных снимках с HH поляризацией и HV

При мониторинге ледяного покрова ключевое у КА это поляризация, он обязательно должен иметь HH и HV, в идеале же иметь все 4 поляризации, для мониторинга. Эти данные позволяют создавать карты ледовых условий с нанесением опасных зон, а также определять безопасные и доступные маршруты для судов, проходящих по СМП.

Метеорологические системы мониторинга.

Для метеорологического мониторинга СМП установлены метеорологические станции и буи, но в основном используется космические комплексы, такие как «Метеор-М», группировка спутников, состоящая из 4 аппаратов по состоянию на 2023г, и «Арктика-М». Спутники оснащены датчиками, способные измерять параметры погоды, такие как температура воздуха и воды, влажность, давление, скорость и направление ветра и другие метеорологические характеристики.

Данные со станций передаются на береговые и наземные центры мониторинга, где происходит обработка и анализ данных для прогнозирования погоды и оценки климатических условий.

Метеорологический мониторинг также включает использование моделей прогнозирования погоды, которые используются для составления долгосрочных и краткосрочных прогнозов, чтобы предупредить о неблагоприятных погодных явлениях, таких как штормы или сильный ветер, которые могут повлиять на безопасность судоходства.

 Космические методы мониторинга обладают рядом преимуществ и также недостатков.

Преимущества методов космического мониторинга:

• Метеорологический мониторинг позволяет получать актуальные данные о погоде и морских условиях для прогнозирования и предупреждения о погодных явлениях.
• Радиолокационный мониторинг обеспечивает широкое географическое покрытие и возможность наблюдения в труднодоступных районах СМП.
• Радиолокационный мониторинг обладает способностью обнаруживать ледовые образования и отличается высокой способностью проникновения через облачность и атмосферу, за счет свойств электромагнитной волны в радиодиапазоне.

Рисунок 4. Пропускание электромагнитной волны через атмосферу в зависимости от ее длины

Недостатки методов космического мониторинга:

• Ограничения по пространственному разрешению снимков спутникового мониторинга могут затруднить детализацию и точную классификацию ледовых образований.
• Время задержки при передаче данных со спутников на землю может быть несколько часов, что может затруднить получение актуальной информации для оперативных решений.
• Возможности радиолокационного мониторинга ограничены условиями среды (например – северное сияние) и неспособностью различать детали других объектов, кроме льда, на морской поверхности.

Наземные наблюдательные пункты:

Наземные пункты наблюдения расположены вдоль береговой линии СМП и оснащены датчиками, предназначенными для сбора данных о ледовых образованиях, погоде и морских условиях.

Корабельное наблюдение:

Суда, включая специализированные исследовательские суда и ледоколы, играют важную роль в мониторинге СМП. Они проводят наблюдения на месте, изучают ледяные образования, фиксируют изменения ледового покрова и собирают данные о погоде и морских условиях. Они оснащенные радарами, радиолокаторами и другими датчиками, обеспечивают информацию о ледовых условиях, помогая определить безопасные маршруты и подтверждая данные, полученные с других источников.

Также уже сейчас существуют корабельные дроны. Инженеры из СПО «Арктика» и ПО «Севмаш» создали опытный образец судового дрона, который умеет приводняться и садиться на палубу. Этот дрон рассчитан на выполнение многих задач в условиях арктических морозов.

Дрон может контролировать состояние судна, мониторить окружающую среду, передавать данные или груза, искать и спасать людей, служить в роли навигационного буя. Для выполнения всех этих задач дрон снабжен всей необходимой аппаратурой. Плавучесть аппарата обеспечивается за счет множества пустот в композитном корпусе дрона.

Рисунок 5. Разработанный БПЛА для мониторинга, расположенный на борту судов

В 2023 г. впервые в мире были проведены испытания беспилотника с палубы атомного ледокола Таймыр. БПЛА выполнил полет по заданной траектории и провел визуальную и радиолокационную съемку арктической акватории.

Комплекс включает БПЛА вертикального взлета и посадки с гибридной силовой установкой, оснащенный оптико-электронной системой, радиолокатором бокового обзора и бортовым спецвычислителем. Также его укомплектовали ПО для работы с алгоритмами построения и распознавания изображений. В рамках полевых испытаний беспилотник провел два маршрутных полета.

На следующем этапе разработки специалисты запланировали внедрение системы полностью автоматизированной посадки на палубу без участия оператора, после чего предстоят повторные испытания в естественной среде с посадкой на ледокол в движении при качке.

Рисунок 6. БПЛА на борту атомного ледокола Таймыр

Его уникальность — в применении современных численных методов и алгоритмов для синтеза и автофокусировки радиолокационных изображений высокого разрешения на борту легкого БПЛА. Комплекс оперативной воздушной ледовой разведки – один из составных элементов создаваемой цифровой экосистемы Севморпути.

Все эти методы имеют свои отличительные особенности и преимущества. Однако на практике чаще всего одним методом не обойтись и используют так называемый комбинированный метод мониторинга.

Рисунок 7. Схема поэтапного использования спутниковых средств для мониторинга ледяного покрова и отколовшихся ледяных обломков вблизи охраняемых объектов

Климатические изменения и экологические аспекты

Арктический ледяной покров подвержен значительным изменениям в результате глобального потепления. Космический мониторинг играет ключевую роль в изучении и оценке динамики изменений льда. Спутниковые данные позволяют наблюдать за площадью, толщиной, концентрацией и массой льда, а также отслеживать его перемещение, состояние и форматирование. Эта информация существенно помогает в исследовании процессов таяния льда и понимании их связи с климатическими изменениями.

Одной из особых возможностей космического мониторинга является способность обеспечивать постоянное наблюдение за состоянием арктического льда на больших пространствах, сочетая преимущества обзора с высокой разрешающей способностью. Многие современные спутники оснащены инструментами для измерения радиации, микроволнового излучения и рефлективности, что позволяет получать детальную информацию о физических характеристиках льда. Это помогает исследователям понять процессы таяния и формирования льда в разных регионах Северного морского пути.

Кроме того, космический мониторинг активно используется для изучения влияния изменений ледяного покрова на морскую экосистему. Наблюдения спутниками позволяют отследить изменения в доступности пищевых ресурсов, миграционных маршрутах и распределении морских видов.

Другой значимой областью исследований является влияние глобального потепления на океанские течения в районе Северного морского пути. Космический мониторинг позволяет отслеживать поверхностные течения, температуру воды и перенос массы льда. Эти данные дают ученым информацию о динамике течений и их взаимосвязи с изменениями ледяного покрова. Это помогает предсказать влияние изменений в течениях на морскую экосистему, включая рыболовство, миграцию морских видов и состояние морской флоры.

Космическое наблюдение также предоставляет возможность оценить влияние изменений ледяного покрова на биологическое разнообразие и экосистему окружающих вод. Многие животные, такие как моржи, тюлени, белые медведи и некоторые виды китов, зависят от наличия арктического льда для отдыха, размножения и поиска пищи. Космическое наблюдение помогает исследователям понять, как изменения ледяного покрова влияют на доступность пищевых ресурсов и миграционные маршруты этих видов.

Рисунок 8. Тюлень Гренландский и писец – обитатели Северного полярного круга

Благодаря спутниковым данным ученые могут оценить состояние льда, его динамику, образование и таяние в разных регионах Арктики, отслеживать состояние экосистемы и. Это позволяет более точно прогнозировать изменения климата и их последствия для морской экосистемы. Космический мониторинг также помогает исследователям отслеживать изменения в миграционных путях, режиме питания и размножении животных, обитающих в пределах СМП. Широкий спектр этих возможностей способствует разработке эффективных стратегий охраны природной среды в уязвимых арктических регионах и сохранению уникального биоразнообразия данного региона.

Практическое применение и прогнозирование

Создание карт ледовой обстановки.

Основная цель космического мониторинга Северного Морского пути – создание карт Ледовой обстановки. Она отражает формы плавучего льда в морях и на озёрах (припайных льдов, плавающих льдин, айсбергов, ледовых полей и др.). На карте показывают возраст льдов, их сплочённость, динамику и иные характеристики. Оперативные карты ледовой обстановки предназначены для обеспечения навигации, их составляют по данным ледовой разведки и аэрокосмической съёмки. Обзорные карты – декадные, месячные, сезонные – используют для научных целей.

В 80-е годы прошлого века для решения задач мониторинга льда и гидрометеорологического обеспечения (ГМО) арктических морских перевозок в ААНИИ была создана «Автоматизированная ледово-информационная система для Арктики» (система «Север») (в 2004-2006г проведена модернизация). В настоящее время весь процесс создания ледовой карты осуществляется в системе ArcGIS. С помощью инструментов графики возможно выделять однородные ледовые зоны на геопривязанных спутниковых изображениях с последующим преобразованием замкнутых контуров (границ выделенных зон) в полигональные объекты в виде векторного файла. Затем выделенным зонам в интерактивном режиме (с возможностью редактирования) присваиваются атрибутивные данные с помощью специального диалогового окна. В соответствии с атрибутами, карта, состоящая из ледовых зон, автоматически представляется в российской или международной символике.

1. Исходная информация. В настоящее время основным, а зачастую и единственным источником информации о состоянии ледяного покрова являются спутниковые изображения, регулярно (несколько раз в сутки) покрывающие всю площадь Арктического бассейна. При составлении ледовой карты эксперт анализирует различные виды спутниковых данных: данные оптической съёмки, активной радиолокации, пассивной радиометрии и др.
2. Прежде чем приступить к описанию процесса создания ледовых карт, стоит отметить, что современная методика ледового картирования целиком и полностью построена на опыте предыдущих поколений ледовых наблюдателей. Задача ледового эксперта – правильно интерпретировать изображения, полученные в различных диапазонах электромагнитного спектра, что требует большого опыта и, по возможности, участия в экспедиционных работах, которые позволяют улучшить навыки дешифрирования, сравнивая спутниковые изображения с реальными ледовыми условиями.

Делится мониторинг ледовой обстановки на 2 периода.

Зимний период (1 октября – 31 мая для арктических морей). Составление карты в зимний период начинается с определения границ основных ледовых зон - старого льда, однолетнего льда, молодого льда, ниласа (включая начальные виды льда), а также положения кромки дрейфующих льдов и границ припая. Для обрисовки этих границ в основном используются радиолокационные изображения. Граница массива старого льда в приполюсном районе Арктики выделяется за счёт высоких значений удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) и, как следствие, яркого тона этих льдов среди более тёмных однолетних Положение кромки дрейфующего льда удобно определять по радиолокационным данным, поскольку облачность на оптических снимках затрудняет наблюдение за её динамикой. При наличии более актуальной информации в оптическом диапазоне положение кромки может быть скорректировано. Для других целей микроволновые данные используются мало, исходя из того, что они могут показывать ошибки, которые существенны для целей ледового картирования. Граница припая может быть легко восстановлена по радиолокационным снимкам, снимкам видимого и ИК диапазонов.

Дальнейшее более подробное разделение ледяного покрова на однородные зоны лучше производить по данным видимого и ИК диапазонов во время полярного дня. На отображение льда в данном случае влияют такие характеристики ледяного покрова как альбедо (в видимом и ближнем ИК диапазонах) и температура поверхности (в тепловом ИК диапазоне), которые, в свою очередь, зависят от толщины льда. На радиолокационных снимках такой однозначной зависимости нет, и выделение различных типов однолетнего и молодого льда сильно усложняется. Следует отметить, что в течение зимних месяцев в Арктике длится полярная ночь, что исключает использование данных в видимом диапазоне электромагнитного спектра с середины октября по начало февраля.

Однородные зоны отделяются друг от друга, если имеют различную общую сплочённость и/или возрастной состав льда. Сплочённость определяется визуально по 10-балльной шкале, где 1 балл соответствует 10% площади морской поверхности. Общая сплочённость показывает долю поверхности моря, занятую льдом, а возрастной состав указывает на количественное соотношение разных типов льда (не более трёх), сформировавшихся внутри каждой ледовой зоны. Сумма частных сплочённостей всегда равна общей сплочённости. Возрастной состав льда, а также размер встречающихся ледяных образований указывается в символе, который соответствует выделенной однородной зоне.

Летний период (1 июня – 30 сентября для арктических морей). В летний сезон в ледяном покрове выделяются только зоны с разной общей сплочённостью льда без указания его возрастного состава, поскольку появление слоя талой воды на поверхности льда существенно изменяет его отображение на всех видах спутниковых изображений, и различия между типами льда становятся не видны. Для определения общей сплочённости льда в летний сезон наиболее информативными являются радиолокационные изображения, а также изображения в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Данные тепловой ИК съёмки в этот период становятся неинформативными. Сплочённость, как и в зимний сезон, определяется визуально по 10-балльной шкале. Цветовое обозначение различных сплочённостей на «летних» картах также регламентировано Номенклатурой морских льдов.

Рисунок 9. Карта ледовой обстановки на Карское море на момент 8-10 ноября 2023г

Вызовы и перспективы

Проблемы доступности данных, качества и разрешения спутниковых систем

Данных для мониторинга Северного Морского пути и в целом Арктической и Антарктической зоны крайне мало из-за их географического положения и характера мониторинга. Не все КА с РСА снимают в необходимых диапазонах и поляризациях. К примеру, у спутника ICEYE SAR с Х-диапазоном радиоволн в решаемых задачах указывается мониторинга льдов и имеется всего одна единственная поляризация VV, в то время как для мониторинга ледовой обстановки категорически необходим HH с кроссполяризацией HV.

Ранее потребность в данных вполне закрывалась данными КА Sentinel-1А/В. Однако в 2021 году была потеряна связь с Sentinel-1B и данные с этого КА перестали поступать, что безусловно сказалось на процессе мониторинга ледяного покрова.

Рисунок 9. Количество данных, полученных до и после вывода из строя аппарата Sentinel-1B. Можно заметить, как уменьшилось число снимков на территорию РФ и Арктику

Для восполнения нехватки данных планируется запустить третий спутник в серии Sentinel-1. Sentinel-1C который должен был быть запущен в рамках европейской программы Copernicus, запуск планировался на новой ракете ESA Vega-C с европейского космодрома во Французской Гвиане в первой половине 2023 года. На данный момент ESA планирует перенести запуск спутника с ракеты Vega-C на Falcon 9, чтобы избежать дальнейших задержек с выводом его на орбиту. Дата запуска в настоящее время запланирована на 15 ноября 2024 год.

Космическая отрасль России тоже не стоит на месте. В мае 2023г был запущен КА Кондор-ФКА (к сожалению, снимки с данного спутника по состоянию на 616.11.2023г еще не доступны для коммерческого заказа), а в июле 2023 метеорологический спутник Метеор-М» №2-3. В 2024г планируется запуск сразу нескольких КА конкретно для задачи мониторинга Северного Морского пути, такие как Обзор-Р (Х-диапазон на базе активной фазированной антенной решетки (АФАР)), Артика-М № 2. На 2024г планируется запуск российского радиолокационного спутника России «Окулус» (лат. oculus – глаз), положит начало созданию российской орбитальной спутниковой группировки, предназначенной для круглосуточного всепогодного мониторинга Северного морского пути и Арктики.

Отсутствие достоверных данных о состоянии ледяного покрова на Северном морском пути стало серьезной проблемой для многих компаний, занимающихся морской логистикой и транспортировкой грузов. Однако, благодаря развитию современных технологий и использованию коммерческих снимков, проблема находит свое решение.

Коммерческие снимки, полученные с помощью спутниковых систем, позволяют получать более точные и подробные данные о состоянии ледяного покрова на Северном морском пути. Эти снимки обладают высоким качеством и охватывают большую территорию, что делает их незаменимым инструментом для мониторинга ледяной обстановки.

Проблемы автоматизации дешифрирования ледяного покрова

Автоматизация процесса распознавания льда на акватории Северного Морского Пути является одной из первостепенных задач в повышении эффективности и безопасности морских перевозок в условиях арктической навигации. С развитием технологий и использованием современных средств наблюдения, автоматизированные системы мониторинга льда становятся неотъемлемой частью обеспечения безопасности судоходства во льдах. Однако, существуют определенные проблемы и вызовы при внедрении и использовании автоматизированных систем распознавания ледяного покрова.

Одной из основных проблем является сложность точного и надежного определения характеристик льда на радиолокационных и других снимках. Автоматизированные алгоритмы часто испытывают затруднения в корректной интерпретации разнообразных типов льда и его состояний, что может приводить к ошибкам в классификации и прогнозировании поведения ледяного покрова. Недостаточно точная и неполная информация о состоянии льда может негативно сказываться на принятии решений в управлении судоходством и безопасности судов при прохождении через ледяные районы.

Важно понимать, что характеристики льда, такие как его соленость, структура и фазовый состав (т. е. соотношения объёмов непосредственно льда, жидкой воды и воздуха в толще), текстуры (т. е. количества, формы и особенностей распределения воздушных и солевых включений), являются важными компонентами в процессе дешифрирования радиолокационных данных. Эти параметры определяют, как радиоволны взаимодействуют с ледяной поверхностью. Например, при наличии воды в льду, радиоволны могут поглощаться или отражаться с разной интенсивностью, что существенно влияет на результаты радиолокационной съемки.

Один из вызывающих затруднения факторов - различие в типах льда, изображенных на радиолокационных снимках и оптических изображениях. К примеру, морской лед, насыщенный солями, может иметь другие свойства рассеяния радиоволн, по сравнению с пресным льдом. Для более точного анализа и интерпретации данных о состоянии льда, целесообразно комбинировать радиолокационные данные с данными других исследований, таких как оптические съемки и данные о параметрах ледяного покрова.

Исследование ледового покрова с использованием радиолокации позволяет получать информацию о толщине, текстуре и составе льда на поверхности, что является важным для оценки климатических изменений и прогнозирования условий навигации в зоне ледовых образований. Однако комбинированный анализ радиолокационных данных с данными других методов исследования льда позволяет получить более полное представление о состоянии льда и его свойствах, что важно для различных отраслей, включая мореплавание, экологию и геологию. 

Создание единой цифровой платформы цифровых сервисов СМП

Проект создания единой цифровой платформы цифровых сервисов Северного морского пути является инициативой государства и реализуется при поддержке Правительства Российской Федерации. Организатором проекта выступает Министерство транспорта РФ.

Целью проекта является создание единого цифрового пространства для обеспечения эффективной работы транспортно-логистической системы Северного морского пути, включая развитие инфраструктуры, повышение качества услуг и улучшение условий для бизнеса.

Он представляет собой комплексную программу, направленную на модернизацию и развитие транспортно-логистической системы региона. Он включает в себя несколько этапов, каждый из которых имеет свои особенности и задачи.

Этап № 1 - разработка и внедрение информационных систем для мониторинга и управления транспортными потоками на Северном морском пути, что позволит повысить эффективность работы портов и терминалов, улучшить качество услуг и сократить время доставки грузов.

Этап № 2 - разработка и внедрение новых технологий и инновационных решений для оптимизации логистических процессов, включая использование дронов для мониторинга состояния портов и терминалов, разработку систем автоматической идентификации грузов и транспортных средств, и др.

Этап № 3 - повышение комфорта и безопасности пассажиров и грузов. Планируется разработка и внедрение сервисов онлайн-бронирования билетов и перевозки грузов, систем мониторинга и контроля за состоянием судов, а также других сервисов, которые помогут сделать процесс транспортировки более удобным и безопасным.

Рисунок 10. Архитектура и подсистемы единой платформы цифровых систем

Задачами проекта являются:

• Создание единой информационной системы для мониторинга и управления транспортными потоками на Северном морском пути;
• Разработка и внедрение новых технологий и инновационных решений для оптимизации логистических процессов;
• Развитие электронных сервисов для обеспечения комфорта и безопасности пассажиров и грузов;
• Повышение эффективности использования ресурсов и снижение затрат на транспортировку грузов.

В рамках проекта планируется создание единой цифровой платформы, которая объединит различные сервисы и информационные ресурсы, связанные с работой Северного морского пути. В частности, это могут быть онлайн-сервисы для бронирования билетов и перевозки грузов, системы мониторинга и контроля за движением судов, базы данных о состоянии портов и терминалов, а также другие сервисы, направленные на упрощение и ускорение процесса транспортировки грузов.

Рисунок 11. Прототип платформы

Заключение

Мониторинг Северного морского пути является неотъемлемой частью современного и комплексного подхода к изучению и обеспечению безопасности в Арктике. В данной статье был сделан особый упор на радиолокационный метод исследования льда, который с помощью спутниковых систем обеспечивает надежную и точную информацию о состоянии и движении ледового покрова.

Технические характеристики спутников, используемых для мониторинга Северного морского пути, играют ключевую роль в сборе и анализе данных. Для мониторинга льда и судов необходима HH и HV поляризации. Такие КА как IceyeSAR или HiSea-1 не подходят для мониторинга СМП и Арктики, по сколько имеют только одну поляризацию VV. Касательно диапазона радиочастот такой жестких требований нет, при наличии обязательной поляризации любой диапазон радиоволн позволяет получить необходимые данные для мониторинга льда.

Такие спутники как: Sentinel-1, Radarsat -1/2, TerraSAR-X, TanDEM-X, ALOS PALSAR, ERS-1, ERS-2, ENVISAT, COSMO-SkyMed 1–4 (если использовать режим среднего разрешения с двойной поляризацией HH/HV) и др. уже проверены временем и хорошо себя зарекомендовали в исследованиях Арктических льдов.

Такие КА как Gaofen-3 (С-диапазон), KOMPSAT-5 (X-диапазон) тоже подходят для мониторинга льдов Арктики, однако широко в исследованиях задействованы не были.

Однако важно отметить, что мониторинг Северного морского пути не ограничивается только радиолокационным методом исследования льда. Создание цифровой экосистемы морского пути, объединяющей данные с различных источников, позволяет получать более полную и всестороннюю картину обстановки. Новые спутники, ожидаемые в ближайшем будущем, открывают новые возможности для улучшения мониторинга и содействия безопасной навигации в этом регионе.

Таким образом, грядущие запуски спутников и развитие цифровой экосистемы морского пути сделают мониторинг Северного морского пути еще более надежным, эффективным и важным инструментом для предотвращения рисков и обеспечения устойчивого развития в Арктике.

Наша компания ООО «ГЕО Иннотер» с 2020г осуществляет поставку и обработку радарных и оптических космических снимков. По состоянию на ноябрь 2023г подтверждаем возможность оказания Нами услуги космического мониторинга арктической зоны, в том числе Северного морского пути.

Сайты для мониторинга Северного морского пути:

ГлавСевМорПуть - главный сайт для мониторинга СМП в России. Предоставляет актуальные карты ледовой обстановки на Карское море, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море. Также можно найти синоптический прогноз и гидрометеоинформацию на нужную дату.

ГидрометцентрГидрометцентр России - предоставляет свежие данные о текущем состоянии ледового покрова на требуемое море. Также есть информация о сплоченности ледового покрова в Арктике и Антарктике.

PolarView – сервис, разработанный международным консорциумом экспертов, и предоставляющий широкий спектр продуктов для наблюдения за Землей (данные Sentinel-1, Radarsar-2 и др.), которые контролируют полярные регионы и районы средних широт, подверженные воздействию льда и снега.

Рисунок 12. Интерфейс PolarView

Национальный центр США по обработка данных о снеге и ледяном покрове при Университете Колорадо - это информационно-справочный центр США, поддерживающий полярные и криосферные исследования. NSIDC архивирует и распространяет цифровые и аналоговые данные о снеге и льде, а также хранит информацию о снежном и ледяном покрове. Ежеднево предоставляет информацию о состоянии льдов Арктики и Антарктики.

Сервис мониторинга льда Норвежского метеорологического института - этот веб-портал предоставляет доступ к актуальным продуктам и информации о морском льде, снеге и вечной мерзлоте (криосфере) Норвежского метеорологического института. Предаставляет актуальные карты ледовой обстановки не только на акваторию СМП и Арктических морей, но и близлежащих морей, заливов и фъордов. Помимо этого предоставляет мозаики спутниковых снимков Sentinel-1 и Radarsat-2.

Официальный сайт правительства Канады с актальной информацией касательно ледовой обстановки в Арктике - на карте собрана самая последняя ледовая информация, доступная на картах Канадской ледовой службы. Эта ледовая информация обновляется ежедневно в районах известной морской активности.

Особое мнение Генерального директора
Малковой Натальи Николаевны:

«Широко распространяется гипотеза о динамике таяния льдов в Арктической зоне, что влечет перспективы развития навигации по Северному морскому пути как альтернативе морскому пути из Азии в Европу через Суэцкий канал. Так что, данная гипотеза не является аксиомой. Из анализа результатов космического мониторинга ледовой обстановки Арктической зоны не следует вывод о гарантированном ежегодном увеличении сроков навигационного периода судов неледового класса.

Гарантированно другое, а именно милитаризация Арктического региона. Утверждена Арктическакя доктрина НАТО,  в США 01.2021 принята доктрина «Regaining Arctic Dominance».

«Когда Финляндия и Швеция присоединятся к НАТО, то семь из восьми арктических стран будут членами НАТО» - генсек НАТО Йенс Столтенберг 26.08.2022 .

По состоянию на 20.10.2023 усиливается конкурентное давление военного блока НАТО за контроль над Арктической акваторией.

В противовес данному давлению, в том числе для снижения рисков конфликта, Россией в Арктику все активнее привлекается Китай.

В условиях нарастающего военного напряжения все большую значимость приобретает необходимость постоянного экологического мониторинга хрупкой природы Арктической зоны для чего России кровь из носу необходимо иметь собственную спутниковую группировку».