В современных условиях при значительном выделении государственных ресурсов на изучение Мирового океана, в том числе на изучение акватории Арктического бассейна, особое значение приобретают задачи оптимизации требований к метрологическому обеспечению разрабатываемых океанографических измерительных средств и унификации технологий их эксплуатации. Для метрологического обеспечения измерений параметров рельефа и грунта дна необходимо создание морских метрологических гидрографических и геофизических полигонов. В работе представлены технологии батиметрических и геофизических съемок, которые могут быть использованы при создании таких полигонов.
ВНИИМ имени Д. И. Менделеева – преемник Главной палаты мер и весов, Государственный научный центр, подчиняющийся Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). В институте созданы, применяются и совершенствуются семьдесят государственных первичных эталонов, разработаны более пятисот стандартных образцов. Более 70 % российских измерительных и калибровочных возможностей РФ, включ енных в базу Международного бюро мер и весов (МБМВ), внесены Всероссийским научно-исследовательским институтом метрологии (ВНИИМ) имени Д.И. Менделеева. Институт представляет Россию в восьми из десяти 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, грави- и электроразведка, сейсморазведка, геологоразведка, физико-химические свойства жидкостей, метрологическое обслуживание парка СИ, разработка методик и совершенствование эталонной базы для обеспечения работы метеорологических систем в условиях Арктики.
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 многоуровневой, 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, 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, оснащенных аппаратурой для выполнения батиметрических съ емок и обнаружения затонувших объектов, представляющих навигационную опасность, а также авиационную и спутниковую подсистемы, оснащенные 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 съемок за счет учета изменчивости скорости звука в слое воды.
Повышенную производительность съемки 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 м.
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.
Градиентометрический метод измерения ГМП позволяет повысить точность съемки до 5–10 нТл за счет снижения вариационной погрешности без использования МВС. Отечественные судовые дифференциальные магнитометры могут обеспечить точность съемки до ±5 нТл. Для поиска затонувших объектов по магнитному полю требуются придонные (глубоководные) измерения c разрешающей способностью 0,1 нТл.
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 STD-зондирования, наблюдения за уровнем моря, измерения поверхностных скоростей и полных потоков и т.п. В то же 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).
Кроме того, для обеспечения гидрографических работ ММГП оборудуется:
• постоянным или временно устанавливаемым уровенным постом для учета высоты мгновенного уровня над принятым нулем глубин.
• целями-имитаторами объектов на дне, подлежащими выявлению при съемке аттестируемыми средствами.
Съемка рельефа дна в ММГП должна быть произведена методом сплошного покрытия. СКП определения глубин и их привязки не должны превышать следующих значений:
Таким образом, качество эталонных образцов параметров, измеряемых гидроакустическими системами, будет определяться точностью и подробностью съемки МГГП. Для достижения требуемой точности разработана особая технология съемки, суть которой заключается в использовании ОГП на дне с известными глубинами и координатами.
В отечественной практике для приведения измерений к нулю глубин используется две уровенные поверхности: для бесприливных морей – средний многолетний уровень моря; для приливных морей – низший 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 отсчета 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.
