Реализация и эксплуатация NB-IoT устройств на станции Прогресс в Антарктиде

Давно хотели поделиться историей о том, как команда Red Bees отправила NB-IoT устройства с экспедицией в Антарктиду на станцию Прогресс. Об этом событии уже достаточно давно и много написано на таких ресурсах как: хабр, comnews, ведомости и собственных ресурсах организаций-участников той экспедиции.

Впервые подробно об опыте практического использования оборудования NB-IoT в условиях «дальнего юга» рассказал генеральный директор Red Bees Юрий Сизов на  I Международной междисциплинарной научно-практической конференции «ЧЕЛОВЕК В АРКТИКЕ» 2021 — АРКТИКА КАК ВЫЗОВ!, проходящей на базе Горного университета в Санкт-Петербурге с 18 по 19 ноября 2021 года. По мотивам доклада данной заметкой предполагается расширить повествование и рассказать о подготовке, участниках, процессе и результатах экспедиции, а самое главное о планах на будущее.

Немного о климате и людях
Климат на Южном полюсе в целом значительно холоднее климата Северного полюса, в основном благодаря тому факту, что Южный полюс расположен на возвышении и удалён от морского побережья, в то время как Северный полюс — на уровне моря и со всех сторон окружён океаном, который выступает в качестве теплового резервуара.

Белый материк является демилитаризованной зоной. В настоящее время на материке находятся в районе 90 станций, принадлежащих 30 странам, на которых ведутся исключительно научные (метеорологические, геологические, геофизические, биологические и т.п.) исследования.

Станция Прогресс является круглогодичной крупной антарктической транспортной базой со своим ледовым аэродромом. Именно отсюда организуются санно-тракторные походы на соседнюю станцию Восток.

Люди на станции Прогресс занимаются научными наблюдениями в области метеорологии, геофизики, гидрологии, океанологии и др.

Животный мир в основном состоит из тюленей Уэдделла, поморников/буревестников и, конечно, любопытных пингвинов Адели. Порой можно увидеть императорских пингвинов. Существует закон, по которому нельзя приближаться к представителям животного мира Антарктиды на расстояние менее 5 метров. Иногда из-за этого происходят курьезные случаи, но о них чуть позже.

Ближе к делуЭкспедиция проводилась при поддержке ФГБУ ААНИИ (Арктический и антарктический научно-исследовательский институт) и ПАО «МТС».
Время проведения экспедиции: 1 квартал 2021 года.
Основная цель: развернуть сеть NB-IoT датчиков, применяемых для научно-прикладных работ в Антарктиде — проведение гляциологических (наука о природных льдах) и др. исследований, обеспечение безопасности передвижения людей и транспорта на «земле», при полетах, движения судов, людей и техники по морскому льду и прибрежной инфраструктуре, а также обеспечение экологической безопасности.

Обеспечение безопасности людей и транспорта является одной из приоритетных задач вследствие падений ученых и инженеров станции, а также транспорта и техники в трещины глубиной до нескольких метров. Это же касается и целостности взлетно-посадочной полосы, которая является основным путем сообщения с внешним миром. Помимо всего прочего айсберги имеют свойство переворачиваться и это ставит под угрозу жизнь и здоровье людей при выполнении разгрузочных работ в прибрежных зонах.

Для решения этих проблем сотрудниками ААНИИ был разработан план по оснащению станции и интересующих их окрестностей NB-IoT датчиками, осуществляющими:- мониторинг динамики движения ледников;- мониторинг уровня и параметров воды в озерах;- измерения температуры и влажности снега;- герметичные GPS трекеры для мониторинга русел рек;- измерения сейсмической активности;- измерения толщины льда;- измерения приливов;- мониторинг уровня топлива в резервуарах.
Естественно, покрыть весь объем потребностей за одну экспедицию не представлялось возможным, поэтому разбили задачу на несколько частей. Мы совершенно не представляли с какими сложностями придется там столкнуться. Первым логичным шагом являлось развертывание инфраструктуры для передачи данных по NB-IoT,запуск и тестирование работы NB-IoT устройств в жестких условиях эксплуатации. Далее следовал этап сбора статистики и получения обратной связи от членов экспедиции. В последствии планировалось переходить к системному решению поставленных задач с учетом полученных данных.

Задачи на поездку:— развернуть сетевую инфраструктуру для работы в сети NB-IoT;- развернуть IT;- инфраструктуру для приема- передачи данных с устройств NB-IoT;- установить и ввести в эксплуатацию сеть устройств NB-IoT, которые решают некоторые задачи, поставленные сотрудниками ААНИИ.

ПодготовкаЧлены экипажа перед отплытием на судне проходят недельный карантин. А это означало, что мы и наши партнеры, представляющие из себя команду технической поддержки на большой земле, должны были подготовить и отдать груз со всеми необходимыми устройствами и аксессуарами, запасными деталями и комплектующими, приспособлениями для прошивки, настройки и пуско-наладки, монтажа и ремонта, документами, программным обеспечением и т.д. до момента наступления карантина, который начинался в конце октября 2020 года. Также предварительно была произведена настройка и отладка серверной инфраструктуры с интеграцией устройств NB-IoT, которая позволила сотрудникам ААНИИ быстро развернуться, а членам экспедиции в последствии наблюдать за результатами измерений датчиков в режиме онлайн.

Команда технической поддержки включала в себя сотрудников:- МТС,- Red Bees,- НИИ ВШЭ,- ААНИИ.Членов экспедиции заселяли в отель и после прохождения карантина они сразу же попали на борт судна. Устройства NB-IoT нашей команды со всем остальным оборудованием отплыли от родной земли в начале ноября 2020 года.

Дорога до белого материка представляла собой череду транспортных средств, с пересадками и перерывами на «нелетную погоду». Погодные условия и состояние взлетно-посадочной полосы на станции Прогресс являются решающим факторам при прохождении последнего этапа транспортировки людей и грузов. Помимо того, что подготовка груза к отплытию технической командой проекта проводилась в достаточно «горячий сезон», что доставляло свои неудобства. Работы по разворачиванию инфраструктуры начались уже 3 января 2021 года, когда члены экспедиции достигли станции Прогресс в Антарктиде и немного отдохнули.

Здесь должен быть мем про плохой год и разочарование

В состав членов экспедиции входили сотрудники ПАО «МТС», которые осуществляли монтаж и настройку сетевой инфраструктуры для обеспечения связи по стандарту NB-IoT. Стоит отметить, что один из представителей команды ПАО «МТС», находившийся в составе членов экспедиции, уже имел опыт путешествия в Антарктиду в 90-х годах 20 века. Наличие подготовленного человека значительно упростило пуско-наладочные работы.

Первую российскую сеть в Антарктиде МТС развернула в 2020 году, обеспечив мобильную связь на «Прогрессе». С декабря 2020 по февраль 2021 года производилась установка оборудования на станции Новолазаревская. Установка оборудования проходила в экстремальных условиях антарктического климата. Инженеры МТС с партнерами разработали целый комплекс технических решений, которые позволили оборудованию работать в условиях постоянного сильного ветра и холодов. Специалисты МТС также модернизировали существующую земную станцию спутниковой связи. Применение стандартов 3G и 4G ограничено шириной арендуемого спутникового канала, однако в перспективе возможно включить любую из технологий удаленно.
Теперь же на станции «Прогресс» должна была появиться сеть NB-IoT — стандарт для интернета вещей.

Работы включали в себя настройку базовой станции и тестирование сети в различных локациях станции Прогресс и ее окрестностях. Проверка сети производилось тестером сети NB-IoT, который был разработан Red Bees для специалистов отдела развития сети МТС в период ввода в эксплуатацию коврового покрытия по всей России. А теперь и добрался до крайней южной точки земного шара.
Тестер сети NB-IoT является компактным устройством, которое способно быстро и легко определить параметры сети NB-IoT и протестировать передачу данных.

На этом этапе вопрос с обеспечением станции связью NB-IoT был закрыт.
В итоге МТС развернула на Российской антарктической станции Прогресс сеть NB-IoT для передачи данных комплекса устройств Арктического и антарктического научно-исследовательского института. Сеть NB-IoT на частоте 900 МГц доступна на территории станции и в радиусе до 35 километров вокруг в зависимости от рельефа местности.

Команда плавно перешла к реализации 2 этапа — развертыванию IT-инфраструктуры для приема-передачи данных с устройств NB-IoT. Сервер приема-передачи данных был поднят физически на станции «Прогресс», так и непосредственно на территории ААНИИ. Сервера объединены общей сетью.
Данные с устройств должны поступать на сервер, установленный в ААНИИ в Санкт-Петербурге. МТС разработала для полярников специальную платформу, которая визуализирует полученную с устройств NB-IoT информацию в удобном для пользователя интерфейсе. Визуализация осуществляется на дополнительном сервере на основе микро-компьютера Orange-Pi, расположенном на станции «Прогресс», что позволяет сократить объем передаваемого на «большую землю» трафика.

После того как были решены вопросы с сервером для приема-передачи данных с устройств NB-IoT члены экспедиции приступили к запуску непосредственно самих устройств.

На белый материк попало несколько устройств NB-IoT:
— тестер сети NB-IoT,
— датчики измерения микроклимата и качества воздуха Цельсиум,
— GNSS-трекер для контроля взлетно-посадочной полосы.

Тестер сети NB-IoT использовался не только для замеров сигнала NB-IoT при установке и настройке БС, а также он использовался для выбора оптимального места расположения для текущих устройств и дальнейшего планирования работ.

Контроль климата в жилых помещениях станции осуществлялся на основе датчика Цельсиум — первого устройства собственной разработки и производства МТС. Команда Red Bees осуществляла доработку прототипа устройства, созданного специалистами МТС, и его подготовку к массовому производству.
Цельсиум определяет насколько микроклимат в помещении комфортен для человека: рассчитывает интегральный показатель качества воздуха на основе данных о температуре, давлении, относительной влажности, наличии взвесей и вредных для здоровья примесей. Устройство не требует специальной установки: достаточно разместить батарейки, включить и поставить его в нужной комнате. Датчик работает от одних батареек до двух лет.

Устройство похоже по форме и размеру на яйцо пингвина и из-за закона о неприкосновенности местных жителей Антарктиды часто приходится доказывать, что это электронное устройство. Внимание! ни один пингвин и его производные при работах не пострадали

GNSS-трекер для контроля взлетно-посадочной полосы определяет собственные координаты и измеряется положение в пространстве, наличие ударов и уровень вибраций, а также температуру с заданной частотой. Если меняется уровень снегового или ледяного покрова, наклон ледяной плиты или возникают трещины, датчик оперативно передаёт информацию на платформу. Наличие трекеров избавляет сотрудников от необходимости в любую погоду снимать данные с каждого устройства вручную: вся информация автоматически поступает на платформу.

Как правило работы по выявлению опасных объектов выполняются при помощи обширного комплекса инженерных изысканий, включающих георадарную съемку, гидрологические наблюдения, измерения скорости течения ледников, буровые и геодезические работы. Эти изыскания проводятся при непосредственном участии человека и только в сезон, что лишает полярников данных о развитии трещин в большую часть года.

Текущее состояние позволяет контролировать снежно-ледовые трассы в режиме онлайн. Речь здесь идет пока о трассах, которые ведут к аэродрому и полигонам, где ведутся полевые научно-исследовательские работы.

Промежуточный вывод
Трекеры и другие датчики, работающие сейчас на сети, позволяют исследовать движение ледников и снежного покрова, контролировать целостность снеговых взлетно-посадочных полос и микроклимат в жилых и рабочих помещениях. Применение дистанционных датчиков позволит не только расширить возможности научных наблюдений, но и в перспективе существенно повысить безопасность проведения полевых и транспортных работ в районе станций.
Результатам первой нашей первой совместной экспедиции стала подготовленная и проверенная инфраструктура, которая позволяет уже сейчас расширять сферу применения сети NB-IoT в Антарктиде, внедряя все новые типы датчиков и решений. Устройства, установленные на станции Прогресс, по сей день работают и передают информацию сотрудникам ААНИИ.
Важным моментом оказалось не только учесть особые погодные и климатические условия и ограничения, связанные с передачей, хранением и обработкой информации, а также и предусмотреть возможность ремонта устройств с помощью подручных средств.
В ходе этого проекта была сформирована группа, прорабатывающая варианты дальнейших разработок устройств для нужд обеспечения работы и научной деятельности в Антарктиде.
Мы приглашаем всех желающих присоединиться к данной работе в цифровом освоении Антарктиды

Дальнейшие планы
Устройства, работающие с помощью NB-IoT, позволяют более эффективно исследовать подледные озера, движение ледников и откалывание айсбергов и будут использоваться для научных исследований геофизиками и гляциологами. Благодаря возможностям сети станет доступна установка GNSS трекеров на труднодоступных для человека ледниках. Команда Red Bees при поддержке учёных и инженеров ААНИИ в процессе разработки проекта по размещению «трекеров-камикадзэ». Их заброс на ледник будет осуществляться с вертолётов или беспилотников.
Измерения качества сети с помощью тестера NB-IoT на границе ледника, доступной человеку, показали, что уровень сигнала достаточный для передачи данных, но с учетом затухания есть вероятность, что не все интересующие зоны ледника могут быть покрыты сетью NB-IoT. Дело в том, что ледник скрыт от базовой станции рельефом. К сожалению, проверить покрытие на леднике не представляется возможным. В связи с этим было решено добавить в трекеры поддержку mesh-сетей (Thread, 6LowPAN), позволяющую устройствам быть не только передатчиками своей информации, но и ретрансляторами для соседних узлов. Таким образом, в крайнем случае, сигналы со всех устройств попадут к получателю через узел, находящийся на доступной для БС территории.
Также планируется увеличить количество существующих трекеров на взлетно-посадочной полосе.

Датчики, подключённые к системе, будут определять движение ледников и откалывание айсбергов, регистрировать подтаивания и образование водяных линз, из-за которых происходят провалы снега.

Немаловажной проблемой являются последствия климатического кризиса, из-за которого температура в полярных областях повышается быстрее, чем на остальной планете. «За последнее десятилетие шапка льда в Арктике уменьшилась на 13%, – утверждает Руководитель климатической программы Greenpeace в России Василий Яблоков – По данным европейского института «Коперникус», Земля потеряла 28 трлн. т. льда за период с 1994 по 2017 г.».

Пока движение ледников отслеживается в основном со спутников – снимки из космоса, говорит Яблоков, позволяют довольно точно отследить скорость и направление их перемещения. «Но и наземные датчики тоже нужны – они позволят отследить и изучить внутренние процессы, протекающие в ледниках, и, возможно, давать более точные прогнозы», – отмечает он. Многомасштабное математическое моделирование климатических процессов и таяния льдов, в частности, требует большого количества данных. «В ледниках возникают двухфазные зоны, которые приводят к резким нелинейным эффектам, и прогнозирование таких всплесков нуждается в хорошем охвате датчиками, так что здесь можно продемонстрировать хороший кейс предиктивной аналитики», – отмечает директор технологической практики КПМГ в России и СНГ Сергей Вихарев.

И напоследок видео об интересной жизни полярников. Фактом является то, что в этих тяжелых условиях работает много молодых девушек. И это видео об их приключениях.

Если Вы хотите присоединиться к нашему движению по цифровизации Антарктиды: iam@redbees.ru