Исследование Земли из Космоса, 2020, № 1, стр. 83-91

ВВЕДЕНИЕ

Исследование процессов взаимодействия океана и атмосферы, состояния водной поверхности и параметров атмосферы является очень важным направлением фундаментальных и прикладных наук о Земле. Применение для этих целей средств дистанционного зондирования позволяет проводить эти исследования на разных уровнях по высоте и с разным пространственным и временны́м усреднением данных. Одним из уровней проведения исследований взаимодействия океана и атмосферы являются стационарные морские платформы и береговые постаменты (Трохимовский и др., 2002; Булатов и др., 2003; Кузьмин и др., 2009; Pospelov et al., 2008). В этот ряд можно добавить большие заглубляемые океанические буи и, например, переворачиваемое исследовательское судно США FLIP (Floating Instrument Platform) (Bullard, Smith, 1996), на которые волнение не оказывает заметного влияния. На этом уровне проводятся контактные и дистанционные исследования с малым пространственным усреднением, по сути, в одной точке, но с усреднением по времени, меняющимся в широких пределах (от нескольких секунд до суток и даже месяцев). Здесь очень удобно выявлять взаимосвязь различных параметров исследуемой системы (в частности, системы “океан–атмосфера”) и отрабатывать методики дистанционного зондирования, основанные не столько на статистических зависимостях, сколько на физическом характере взаимодействия. Это удобство связано с тем, что можно с помощью большого арсенала контактных датчиков и дистанционных средств с высокой точностью контролировать все интересующие исследователя параметры окружающей среды. Еще одним очень важным направлением надводных измерений являются подспутниковые эксперименты для проведения калибровок и валидации данных дистанционного зондирования Земли из космоса (Волкова и Успенский, 2015; Бондур и др., 2016).

Для проведения дистанционных надводных исследований часто возникает необходимость непрерывных наблюдений за морской поверхностью и приповерхностным слоем атмосферы под различными вертикальными углами, в различных азимутальных направлениях, с варьируемой скоростью в соответствии с заранее определенной программой измерений, проведения периодических калибровок. Помимо этого, в комплексных экспериментах необходимо совмещение полей зрения нескольких приборов, таких как микроволновые или ИК-радиометры, скаттерометры, радары, различные средства фото- и видеофиксации объекта наблюдения.

Для решения задачи автоматизации подобных измерений, в 1997 г. сотрудниками ИКИ РАН была разработана приборная платформа “Траверс-1” (Kuzmin and Pospelov, 2005; Садовский и др., 2009). Эта платформа была изготовлена из простых подручных материалов, она довольно сложна при установке и эксплуатации. Между тем, эта платформа прослужила более десяти сезонов в экспериментальных работах на Черном море. Целью разработки новой платформы “Траверс-2” стало создание новой конструкции, учитывающей опыт эксплуатации “Траверс-1”, более надежной и легкой, обеспечивающей возможность длительных натурных измерений в сложных метеорологических условиях.

Платформа “Траверс-2”, спроектированная и изготовленная в 2015 г., предназначается для установки различных средств дистанционного зондирования с целью проведения автономных, автоматизированных измерений со стационарных береговых постаментов или морских платформ. Она успешно используется для проведения широкого круга исследований поверхности моря и атмосферы с помощью комплекса микроволновых радиометрических приемников.

При разработке платформы “Траверс-2” были предложены следующие вводные условия, которые были выявлены при экспериментальных работах с комплексом радиометрической аппаратуры на платформе “Траверс-1”. Диапазон азимутальных углов вращения должен быть не менее 300 град. Скорость вращения по азимуту – постоянная, с возможностью регулировки в пределах 0.5–5 град/с. Точность определения угла по азимуту должна составлять не менее 0.1 град. В угломестной плоскости конструкция должна обеспечивать углы наблюдения от надира до зенита (диапазон 180 град). Скорость вращения в угломестной плоскости – постоянная, с возможностью регулировки в пределах 0.5–5 град/с. Точность определения вертикального угла должна составлять не менее 0.1 град. Приборная нагрузка платформы должна составлять не менее 30 кг, при этом крепление приборов должно быть универсальным и быстросъемным. Конструкция платформы при установленном оборудовании должна сохранять требования по стабильности вращения и точности позиционирования при ветровых нагрузках до 30 м/с. Конструкция должна предусматривать транспортировку в таре размером не более 600 × 600 × 450 мм, вес платформы не должен превышать 50 кг. Платформа должна быстро устанавливаться в рабочее положение, быть ремонтопригодной и обеспечивать возможность ремонта устанавливаемой аппаратуры без ее демонтажа. Приборная платформа должна управляться в ручном (посредством команд оператора) и автоматическом режимах, иметь возможность сбора данных аналоговых датчиков для передачи их на регистрирующий компьютер. Питание привода должно осуществляться от сети +27 В.

КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРНОЙ ПЛАТФОРМЫ

Конструкция приборной поворотной платформы представляет собой турель, которая расположена на поворотном основании. По бокам платформы размещены консоли для крепления научного оборудования. 3D-модель сканирующей платформы “Траверс-2” представлена на рис. 1.

Рис. 1.

3D-модель платформы “Траверс-2” (1 – двигатель левого плеча, 2 – редуктор левого плеча, 3 – датчик угла левого плеча, 4 – двигатель вращения по азимуту, 5 – редуктор, 6 – датчик угла вращения по азимуту).

Скорость вращения и точность выставления угла по всем трем осям вращения обеспечивается тремя шаговыми двигателями FL86STH65-2808A, управляемыми драйверами шаговых двигателей G201X, которые обеспечивают деление шага двигателя на 10.

Вращение от двигателя на оси передается с помощью редукторов. Для вращения по азимуту используется эвольвентный червячный редуктор с числом зубьев 120 и передаточным числом 60. Для вращения по углу места правой и левой консолей использовались идентичные эвольвентные червячные редукторы с числом зубьев 40 и передаточным числом 20. С учетом величины шага двигателя 1.8 град, деления шага драйвером и понижением редуктора в азимутальном направлении шаг равен 0.003 град, а в угломестном направлении – 0.009 град. Такая малая величина шага обеспечивает большой диапазон скоростей вращения: от очень низких до 6 град/с по азимуту и до 18 град/с по углу места. Правое и левое плечи турели вращаются независимо, однако программно могут работать синхронно.

В качестве осей вращения консолей выбраны полые трубы диаметром 5 см для того, чтобы обеспечить надежную подводку питающих и информационных кабелей к научным приборам. Поворотное основание соединяется с верхней частью платформы также полой трубой диаметром 10 см (для исключения чрезмерного скручивания подводящих кабелей), закрепленной в радиально-упорных подшипниках по оси симметрии всей конструкции. Использование радиально-упорных подшипников обеспечивает возможность “перевернутого” варианта установки платформы при необходимости.

Все элементы платформы для облегчения конструкции выполнены из алюминия марки АМг-6. Исключение составляют оси вращения, изготовленные из стальных труб соответствующего диаметра, и червячные пары редукторов.

Управление вращением платформы осуществляется от персонального компьютера. В качестве управляющего модуля используется разработанная плата на основе микроконтроллера ATmega128-16AU, расположенная внутри платформы. Для связи между компьютером и управляющей платой используется помехоустойчивый четырехпроводной интерфейс RS-485. Контроль углов вращения реализовывается с использованием энкодеров серии EP50S8, а пределы вращения для каждого редуктора ограничиваются оптическими датчиками. Рабочее питание на модуль управления и двигатели составляет +27 В. При начальной инициализации программы управления платформой происходит калибровка углов от минимального до максимального по всем осям вращения.

Внутреннее пространство турели защищено от внешнего атмосферного воздействия (ветер, туман, дождь и т.п.) защитным кожухом, представляющим собой набор формованных алюминиевых листов. Здесь располагаются необходимые кроссировочные платы, блоки питания, система сбора аналоговых сигналов Lcard.

Все заявленные при проектировании платформы “Траверс-2” требования были выполнены.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЧЕРНОМОРСКОМ ГИДРОФИЗИЧЕСКОМ ПОЛИГОНЕ РАН

Платформа “Траверс-2” прошла первые успешные испытания в рамках натурного эксперимента в сентябре–октябре 2016 г. Эксперимент проводился на морской гидрофизической платформе (рис. 2) Черноморского гидрофизического полигона РАН (ЧГП РАН), расположенной в Голубой бухте Черного моря (южная оконечность полуострова Крым, пос. Кацивели).

Рис. 2.

Гидрофизическая платформа ЧГП РАН. Вид с восточной стороны.

В задачи экспериментальных работ входило исследование гравитационно-капиллярного волнения (ГКВ) и температурно-влажностных характеристик пограничного слоя атмосферы в различных метеоусловиях. Также в этих экспериментах отрабатывался новый метод дифференциальных измерений влажности тропосферы в полосе поглощения водяного пара с центром 22.235 ГГц, предложенный в работах (Стерлядкин, Шарков, 2014; Стерлядкин и др., 2017а, б) для космического эксперимента “Конвергенция” на РС МКС (Шарков и др., 2018).

Комплекс радиометрической аппаратуры, который был установлен на поворотную платформу “Траверс-2”, представлен в табл. 1. В комплекс входили пять радиометров, разработанных в ИКИ РАН, и один радиометр-спектрометр, разработанный Специальным конструкторским бюро Института радиотехники и электроники РАН (ИРЭ РАН) (Смирнов и др., 2017). В табл. 1 представлены основные параметры радиометров. Вместе с радиометрами на одну из консолей крепилась веб-камера, поле зрения которой совпадало с направлением визирования радиометров. Суммарная нагрузка на оба плеча платформы составляла порядка 60 кг.

Поворотная платформа “Траверс-2” была установлена на юго-западном углу верхней палубы гидрофизической платформы на высоте 16 м над уровнем моря. Поворотное основание платформы фиксировалась на специально спроектированных и изготовленных направляющих рельсах таким образом, что обеспечивалась возможность выдвижения поворотной платформы в рабочее положение для минимизации влияния конструкций гидрофизической платформы на результаты измерений и перемещения ее ближе к палубе, когда требовались установочные или ремонтные работы.

Измерения проводились круглосуточно, на протяжении всего эксперимента (порядка 20 дней), с перерывами на технологическое обслуживание платформы и научного оборудования, которое включало проверку жесткости крепления узлов и модулей, целостности питающих и информационных кабелей, очистку радиаторов и раскрывов приемных антенн от соли и окислов и т.п.

Управление платформой осуществлялось с персонального компьютера по интерфейсу RS-485 с помощью специально разработанной программы, внешний вид рабочего окна которой представлен на рис. 4. При проведении измерений на экране оператору доступны пять основных областей (нумерация соответствует обозначениям на рис. 4).

Рис. 3.

Расположение приборов, установленных на поворотной платформе “Траверс-2” (соответствует нумерации табл. 1). Номер 7 указывает на веб-камеру.

Рис. 4.

Рабочее окно среды Stream Handler, исполняющей программу дистанционного управления платформой “Траверс-2”. Пояснения даны в тексте.

1 – область графического отображения выбранного сценария управления платформы и состава измерительного оборудования. Интуитивно понятный интерфейс позволяет изменять состав научного оборудования удалением/добавлением соответствующих модулей. При этом может быть выбран как тип принимаемого сигнала (аналоговый/цифровой), так и при необходимости требуемый способ первичной обработки данных за счет установления связей (прямые линии на рис. 4) между соответствующими блоками. О корректности работы системы после внесения изменений свидетельствуют зеленые маячки-индикаторы, отображающиеся в случае бесперебойной работы;

2 – область контроля загрузки необходимых драйверов и модулей для выбранного сценария. Отображает степень и успешность загрузки файлов, требующихся для обеспечения работы выбранного сочетания научного оборудования и вариантов первичной обработки данных;

3 – область оповещения о сбоях в работе платформы. Содержит информацию о возникающих сбоях, их критичности и успешности автономного решения возникающих проблем;

4 – область контроля записи информации, поступающей с измерительного оборудования. Отображает открытие/закрытие файлов записи данных в соответствии с выбранным критерием (время записи, объем файла, метка в программе сканирования);

5 – область контроля за текущим состоянием платформы и выполнением заданного алгоритма сканирования. Отображает текущие значения углов поворота по азимуту и углу места (для левой и правой панелей), а также максимальные и минимальные их значения, полученные в результате первичной калибровки. При переходе в режим ручного управления становятся активными кнопки, позволяющие оператору управлять положением платформы и скоростью выполнения этих операций. Для перехода в режим автоматического сканирования требуется подготовка соответствующего текстового файла, содержащего ряд требуемых операций (с использованием стандартных слов-операторов), с последующей его загрузкой в память программы управления.

Для визуального контроля информации, поступающей с научного оборудования, предусмотрено отдельное окно, внешний вид которого представлен на рис. 5. Информация на нем обновляется по мере поступления (в рамках описываемых исследований с частотой 3 Гц), кроме того, имеется возможность просмотра всего объема накопленных данных в пределах одного файла. Для удобства восприятия можно устанавливать вертикальный масштаб для каждого информационного канала, цвет и тип линий. На представленном изображении: цифры 1, 2 и 3 соответствуют служебной информации о текущей ориентации платформы (значение азимутального угла и углов от надира левого и правого плеч); 4 – данные контактных измерений (в том числе температуры воды и воздуха), поступающие в аналоговом виде с последующей оцифровкой; 5 – данные дистанционных радиополяриметрических измерений (на разных частотах и поляризациях).

Рис. 5.

Окно визуализации информации, поступающей с научной аппаратуры, установленной на платформе “Траверс-2”. Пояснения даны в тексте.

Программная реализация была осуществлена на базе интегрированной среды разработки приложений для обработки и анализа потоковых данных EZ-Vizi/Stream Handler (https://www. thefilex.com/measurements), имеющей бесплатную версию для некоммерческих образовательных и исследовательских проектов. Подробные описания примеров использования возможностей технологии Stream Handler можно найти в работах (Ермаков и др., 2013; Ermakov et al., 2011).

Многолетний опыт организации экспедиционных работ на гидрофизической платформе, проводимых с участием авторов данной публикации, выявил острую необходимость организации дистанционного управления научным оборудованием. Последнее объясняется тем, что с точки зрения проводимых исследований наибольший интерес представляют случаи умеренных и сильных ветров (от 5 м/с до штормовых значений), когда длительность ветрового воздействия превышает 3–5 ч (при этом поверхностное волнение можно, хоть и приближенно, считать развитым). В данной ситуации единственный способ сообщения с платформой – катером по морю, нарушается, равно как и возможность управления ходом реализации всех экспериментальных работ. В связи с этим в рамках экспериментальных работ 2018 и 2019 гг. был проведен ряд мероприятий по переводу платформы “Траверс-2” на дистанционный вариант управления. Так, объединение экспедиционного оборудования в локальную сеть с внешним каналом связи по линии Wi-Fi совместно с применением высокоемких источников бесперебойного питания и системы внешнего наблюдения (рис. 6) позволило организовать автономную работу оборудования в 2018 г. в течение 20 дней. При этом контроль за работой всего комплекса осуществлялся с берега при условии расположения управляющего компьютера в пределах прямой видимости платформы и расстоянии, не превышающем 700 м.

Рис. 6.

Изображение с веб-камер, контролирующих работу платформы “Траверс-2”. Слева – камера общего вида, позволяющая проводить визуальную оценку состояния водной поверхности и атмосферы (наличие облачности и осадков), а также следить за вращением платформы. Справа – камера, установленная на левом плече платформы (№ 7 на рис. 3), позволяющая отслеживать направление визирования приборов.

В 2019 г., следуя идее обеспечения непрерывных круглогодичных и всепогодных измерений, был осуществлен переход на внешний канал связи на базе 4G-модема. Это позволило с помощью trial-версии программы TeamViewer управлять работой экспедиционного оборудования через интернет. На момент написания данной статьи оборудование, установленное на платформе “Траверс-2”, успешно функционирует на морской гидрофизической платформе ЧГП РАН, а оперативное управление и прием научной информации могут быть осуществлены из любой точки планеты, где имеется точка доступа в интернет, с помощью любого типа мобильных средств связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано описание приборной платформы, предназначенной для установки различных средств дистанционного зондирования с целью проведения автономных, автоматизированных измерений со стационарных береговых постаментов или морских платформ. Конструкция платформы представляет собой турель, основание которой имеет возможность поворачиваться по азимуту в диапазоне углов 300 град. Боковые консоли турели используются для установки научного оборудования и могут поворачиваться по углу места на величину до 200 град. Управление платформой осуществляется как в ручном, так и в автоматическом режиме с помощью компьютера по интерфейсу RS-485, питание осуществляется от сети +27 В. Максимальная полезная нагрузка составляет 30 кг на каждое плечо.

Отлажен дистанционный метод управления и сбора данных с надводной платформы “Траверс-2” через интернет, что позволяет использовать предложенный вариант конструкции при проведении автономных измерений на труднодоступных и, в общем случае, изолированных океанографических платформах со сложными погодными условиями. Платформа “Траверс-2” прошла успешные испытания в экспедиционных работах 2016, 2018 и 2019 гг. на гидрофизической платформе Черноморского гидрофизического полигона РАН и в серии лабораторных экспериментов в ИКИ РАН и ИРЭ РАН. Работы с использованием надводной платформы “Траверс-2” показали ее хорошие качества для применения в наземно-дистанционных и подспутниковых радиофизических экспериментах, а установка на гидрофизической платформе ЧГП РАН позволит превратить данный полигон в единственное в России место для калибровки и валидации микроволновым спутниковых систем и изучения океанической поверхности и системы “океан–атмосфера”.