Основные тенденции метрологического обеспечения арктического бассейна

В современных условиях при значительном выделении государственных ресурсов на изучение Мирового океана, в том числе и на изучение акватории Арктического бассейна, особое значение приобретают задачи оптимизации требований к метрологическому обеспечению разрабатываемых океанографических измерительных средств, унификация технологий их эксплуатации. ВНИИМ имени Д. И. Менделеева — преемник Главной палаты мер и весов, Государственный научный центр. Подчинен Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). В институте созданы, применяются и совершенствуются 70 государственных первичных эталонов, созданы более 500 стандартных образцов. Более 70 % Российских измерительных и калибровочных возможностей РФ, включённых в базу Международного бюро мер и весов (МБМВ), внесены ВНИИМ (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии) имени Д. И. Менделеева. Институт представляет Россию в 8 из 10 Консультативных комитетах МБМВ. Организация оказывает услуги в области метрологического обеспечения производства продукции: поверка, калибровка и испытания средств измерений в целях утверждения типа для эксплуатации в Арктическом бассейне; разработка и аттестация методик (методов) измерений по всем видам измерений, в т. ч. в таких областях, как: измерение магнитного поля Земли, гравиа-и электроразведка, сейсморазведка, геологоразведка, физико-химических свойств жидкостей, метрологическое обслуживание парка СИ, разработка методик и совершенствование эталонной базы для обеспечения работы метеорологических систем в суровых условиях Арктического региона.

Создание системы метрологического обеспечения необходимо для достижения единства и требуемых точности, полноты, своевременности и оперативности измерений в учреждениях различных министерств и ведомств, участвующих в формировании и использовании данных многоуровенной, многопрофильной системы наблюдений за состоянием океана (МСНСО).

Одним из объектов мониторинга, осуществляемого морской наблюдательной системой, является подводный рельеф акваторий — важнейший фактор обеспечения различных видов морской деятельности и, в первую очередь, безопасности судоходства. Вследствие рельефообразующих процессов в прибрежной зоне происходит устаревание батиметрической информации. Для обеспечения мониторинга рельефа дна морей России и прилегающих акваторий МСНСО должна включать подсистему морских судов, оснащённых аппаратурой для выполнения батиметрических съёмок и обнаружения затонувших объектов, представляющих навигационную опасность, а также авиационную и спутниковую подсистемы, оснащённые аппаратурой дистанционного сбора данных о рельефе дна.

Основным судовым средством обследования рельефа дна в ближайшей перспективе будут многолучевые эхолоты, обеспечивающие увеличение ширины полосы обследования. Включение в состав гидрографического комплекса профилографа обеспечивает повышение точности съёмок за счёт учёта изменчивости скорости звука в слое воды.

Повышенную производительность съёмки обеспечивают дистанционные методы зондирования акваторий. За рубежом наибольшее распространение получили авиационные лазерные и спутниковые радиолокационные системы активного зондирования. На малых глубинах более высокой детальностью обладают фотографические методы.

Основным недостатком пассивных оптических методов дистанционного зондирования является зависимость от гидрометеорологических условий. Оценки максимального диапазона глубин, определяемых аэрокосмическими методами, показывают, что при максимальной прозрачности воды и высокой отражательной характеристике дна в прибрежных районах глубина, определяемая фотометрическим способом, может достигать первых десятков метров, а при съемке с помощью оптико-электронных систем —  до 100 метров.

Другой важной составляющей океанографических исследований являются исследования параметров геофизических полей и, в первую очередь, гравитационного поля Земли (ГПЗ) и геомагнитного поля (ГМП) на акваториях морей и океанов.

Таким образом, высокие требования, предъявляемые к точностям измерений параметров батиметрических и геофизических полей, обусловливают необходимость повышенного внимания к вопросам их метрологического обеспечения.

В настоящее время проведен ряд метрологических разработок в интересах обеспечения единства и точности измерений для таких видов океанографических исследований как СTD-зондирования, наблюдения за уровнем моря, измерения поверхностных скоростей и полных потоков и т.п.. В тоже время проблемы метрологического обеспечения батиметрических и морских геофизических съемок еще требуют своего решения.

Для метрологического обеспечения измерений параметров рельефа и грунта дна (включая дистанционное зондирование), а также ГПЗ и ГМП необходимо создание морских метрологических гидрографических и геофизических полигонов (ММГП). В соответствии с требованиями нормативных документов по метрологическому обеспечению измерений морские метрологические полигоны предназначаются:

  • для обеспечения предварительной настройки, проверки работоспособности, калибровки аппаратуры в реальных условиях,
  • для достижения единства и требуемой точности измерения параметра,
  • для аттестации метода выполнения съемки.

Для решения задач метрологического обеспечения гидрографических и геофизических средств измерений ММГП должны удовлетворять следующим требованиям:

  1. ММГП должны равномерно размещаться по акваториям, в которых будет осуществляться мониторинг батиметрических и геофизических полей, в районах с характеристиками, охватывающими максимально возможный диапазон измеряемых параметров.
  2. Каждый ММГП должен включать низкоаномальные участки.
  3. ММГП располагается в зоне действия контрольно-корректирующей стан­ции одной из локальных дифференциальных подсистем ГЛОНАСС.
  4. В ММГП выполняются детальные гидрографические и геофизические съемки.
  5. В ММГП оборудуются опорные гидрографические и геофизические пункты (ОГП).

В отечественной практике для приведения измерений к нулю глубин используется две уровенные поверхности: для бесприливных морей — средний многолетний уровень моря; для приливных морей — наинизший теоретический уровень. Таким образом, единство измерений глубин не обеспечивается. Неудобство использования наинизшего теоретического уровня в качестве нуля глубин для приливных морей заключается в том, что его высота изменяется от места к месту и имеет наклон. Для отсчёта высот точек на суше в России используется Балтийская система высот, — когда высоты отсчитываются как отрезки нормалей к эллипсоиду, отложенные от поверхности квазигеоида до точек физической поверхности. На морях и океанах квазигеоид совпадает с геоидом. Для обеспечения единства измерений глубин целесообразно ввести единую уровенную поверхность для всех морей. В качестве такой поверхности целесообразно использовать геоид, поверхность которого эквипотенциальна и инвариантна во времени. Для определения положения мгновенной уровенной поверхности может использоваться спутниковая навигационная система в дифференциальном режиме.

Для обеспечения единства и точности измерений дистанционных средств зондирования акваторий в состав подсистемы метрологического обеспечения МСНСО должны быть включены также специальные эталонные участки (ЭУ) акваторий. Для съёмочной аппаратуры ЭУ будут служить как средство калибровки, а для обрабатывающей —  как объекты, позволяющие по сличению аттестованных и измеряемых значений устанавливать точность и достоверность извлечения информации из материалов фотографической, сканерной или радиолокационной съемки, лазерного зондирования акваторий. ЭУ должны иметь глубины в диапазоне, определяемом по фото-, сканерному или радиолокационному снимку. Эталонный участок должен быть расположен в прибрежной зоне акватории с максимальной прозрачностью воды и с высокими отражательными характеристиками грунта дна. На эталонном участке должна быть развернута сеть уровенных постов и проведены измерения скорости течения.

Сроки проведения батиметрической съемки ЭУ должны быть близки к срокам космической съёмки, чтобы исключить погрешности за счет перестройки рельефа дна под влиянием процессов переноса осадочных пород приливными течениями, а также вследствие штормов, оползней, катастрофических волн (цунами) и т.п.

Для аттестации и проверки методик координатной привязки точек изображений акватории в пределах береговой (островной) части ММГП с помощью космических и инерциальных навигационных систем создаются опорные пункты, сличение координат которых позволит оценить достоверность используемых технологических процессов.

Определение координат опорных пунктов должно осуществляться с помощью традиционных геодезических методов и средств или с применением геодезической аппаратуры космических навигационных систем.

Для съемки эталонного батиметрического поля может быть предложен новый метод исключения или уменьшения погрешностей измерения глубин, основанный на использовании опорных глубин и вычислении приращений к опорным глубинам как разности между двумя последовательными измерениями глубин. Таким образом, каждая глубина вычисляется как сумма предыдущей глубины и вычисленного таким путем приращения.

Для обеспечения современных требований к изучению ГПЗ в Арктическом бассейне, включая как поверку морских гравиметров, так и приведение данных разновременных съёмок к единому уровню, необходима специализированная система метрологического обеспечения.

Для достижения требуемой точности эталонной съемки полигона за счет существенного уменьшения систематических погрешностей можно рекомендовать способ съёмки с замыканием галса на морской опорный геофизический пункт (ОГП), в котором измерения УСТ выполнены баллистическими гравиметрами.

Для аттестации морского магнитометрического полигона как метрологического необходимо выполнить его съёмку с требуемой точностью, которую может обеспечить градиентометрический способ с использованием МВС на опорный геофизический пункт (ОГП).

Таким образом, предлагаемые технологии высокоточных батиметрических и геофизических съемок могут быть положены в основу при создании ММГП. Представляется целесообразным провести апробацию этой технологии на соответствующем комплексе в Арктическом регионе на базе морских и геолого-геофизических полигонов. Положительные результаты такой апробации позволят создать на базе этого комплекса образцовый морской метрологический гидрографический и геофизический полигон, который в дальнейшем и использовать для межведомственных метрологических испытаний и поверок в Арктическом бассейне.

А.В. Митько, вице-президент Арктической общественной академии наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная метрология» ВНИИМ имени Д.И. Менделеева, к. т. н.

Читайте также: