Ехнические средства навигации 4 страница
Индикаторные устройства судовой РЛС называют индикаторами кругового обзора (ИКО). Они предназначены для представления видеосигнала в удобной (обзорной) форме, формирования служебной информации и выполнения ряда дополнительных функций. По принципу построения индикаторные устройства делят на
индикаторы с подвижной отклоняющей системой,
индикаторы с неподвижной отклоняющей системой,
индикаторы с цифровой разверткой,
индикаторы компьютерного (растрового или телевизионного) типа.
В настоящее время наиболее распространены индикаторы кругового обзора с неподвижной отклоняющей системой (круглый экран индикатора) и развиваются индикаторы компьютерного типа (прямоугольный экран индикатора).
Индикаторное устройство с неподвижной отклоняющей системой формирует радиально-круговую развертку на электронно-лучевой трубке ЭЛТ с большим послесвечением. Луч ЭЛТ модулируется видеосигналом, и во время прямого хода луча на экране формируется радиолокационное изображение. Индикаторное устройство формирует подвижное и неподвижные кольца дальности, электронный визир дальности и направления, ориентирует изображение по курсу, направлению (курс стабилизированный) или по отношению к направлению на север. Индикаторное устройство позволяет смещать начало изображения в пределах радиуса экрана, реализовать истинное и относительное движение. Значения установленных оператором меток дальности и направления переводятся в цифровой отсчёт.
В цифровых индикаторных устройствах компьютерного типа могут использоваться как традиционный монитор вычислительного устройства, так и специальная ЭЛТ с большим послесвечением. В ЭЛТ с большим послесвечением используется радиально круговая развёртка для образования радиолокационного изображения и строчная развёртка для отображения символьной и графической информации.
В наиболее общем виде вычислительное устройство цифрового индикаторного устройства можно разделить на радар-процессор и основной процессор (рис. 10.7).
|
Для ориентации изображения, реализации истинного и относительного движения на экране монитора в радар-процессор поступает информация об угле поворота антенны, текущее значение курса и скорости судна от гирокомпаса и лага. Для управления приемопередатчиком и антенной служит контроллер управления передатчиком и приёмником. Клавиатура, а в последнее время манипулятор (трек-бол или джойстик) служит для управления системой. Монитор или несколько мониторов служит для отображения радиолокационной, цифровой, графической информации.
Радар-процессор предназначен для предварительной обработки видеосигнала и представления его в цифровой форме для последующих расчётов. Радар-процессор позволяет:
производить дополнительную аналоговую регулировку видеосигнала для уменьшения помех;
— переводить аналоговый видеосигнал в цифровую форму;
— производить обработку цифрового сигнала;
— производить обработку информации об ориентации антенного устройства;
— производить обработку служебной информации (от гирокомпаса, от лага, управление и контроль работоспособности приёмопередатчика)
— производить обмен сигналами и данными с основным процессором (процессорами);
— решать дополнительные задачи.
Обрабатываемая информация может быть разделена на первичную и вторичную. Под первичной информацией понимают непосредственно получаемую информацию (видеосигнал, угол поворота антенны, скорость от лага, курс от гирокомпаса). Под вторичной информацией понимают рассчитываемую информацию, к которой относятся: пеленг, дистанция, курс и скорость цели, дистанция и время кратчайшего сближения, проигрывание маневра, служебная, тестовые задачи и т. д.
Средства автоматической радиолокационной прокладки САРП (ARPA)— отдельное цифровое вычислительное устройство, сопрягаемое с РЛС (или приставка (блоки, программы) к цифровой РЛС) выполняющее необходимые расчёты и представляющее информацию в удобной графической форме.
Радиолокационная прокладка — полный процесс обнаружения цели, её сопровождения, вычисления параметров и отображения информации.
САРП выполняет следующие функции:
— отображение первичной радиолокационной информации;
— автоматический и/или ручной захват целей для сопровождения;
— автоматическое и/или полуавтоматическое сопровождение захваченных целей;
— присвоение определённых символов целям;
— расчёт формуляра на каждую сопровождаемую цель;
— имитация маневра.
Отображение первичной радиолокационной информации на САРП заключается в создании или имитации радиально-круговой развёртки на экране.
Автоматический захват подразумевает автоматическое определение радиолокационной цели по критерию автоматического захвата. Критерий автоматического захвата заключается в многократном обнаружении цели при определённом количестве смежных обзоров. Используются критерии 6/6, 8/8, 15/15 и др. (Цель, обнаруженная при первом сканировании запоминается, и если при следующих смежных сканированиях цель появляется снова, она считается обнаруженной и берётся на сопровождение). При движении цели и судна учитывается возможный сдвиг цели за время оборота антенны. В современных САРП скорость цели может достигать 100 уз, при этом учитывается собственная скорость, которая может достигать 30 уз. Для решения этой задачи определяется центр масс эхо-сигнала цели, рассчитывается скорость относительного смещения и рассчитывается предполагаемая точка смещения и т. д. В САРП используется полное сканирование экрана и поиск целей в заданных оператором зонах (зоны захвата).
Полуавтоматическое сопровождение заключается в расчёте координат цели по двум, указанным оператором точкам с определённым интервалом времени. Режим необходим для расчёта параметров движения малых, неявных целей (шлюпки, небольшие катера при волнении).
Каждой сопровождаемой цели присваиваются определённые символы и векторы движения (ЛИД — линии истинного движения, ЛОД — линии относительного движения). САРП может по критерию протяжённости отличать береговую линию от судов, различать подвижные и неподвижные цели по критерию скорости движения, отмечать опасные, новые, сбрасываемые с сопровождения цели и т. д.
На каждую сопровождаемую цель рассчитывается формуляр цели, который содержит:
— пеленг и дистанцию до указанной оператором цели;
— курс и скорость цели;
— дистанцию и время кратчайшего сближения (минимальное расстояние до цели при неизменной скорости и курсе, время, через которое это событие наступит).
Имитация маневра заключается в ускоренном проигрывании ситуации на экране САРП при заданных значениях направления движения и скорости. Имитация позволяет судоводителю путём проигрывания ситуации рассчитать наиболее приемлемый маневр на расхождение с другими судами. САРП позволяют производить имитацию курсом, имитацию скоростью, имитацию курсом и скоростью одновременно. Имитация производится с учётом маневровых характеристик (параметров циркуляции) конкретного судна.
Кроме основных задач САРП могут решать дополнительные задачи построения зон ограничения движения, построения фарватеров и слежения за отклонением судна от фарватера, построение элементов электронных карт, сопряжения с электронными картографическими системами, построения маршрутов прошлого движения, запись маршрутов движения. Можно производить расчёты географических координат от указанной подвижной или неподвижной точки, рассчитывать расстояния и направления между различными точками в относительных и географических координатах, вести счисление пройденного пути.
САРП и РЛС сопрягаются с датчиками автономных средств навигации, радионавигационными системами и навигационными комплексами, позволяют выводить дополнительную информацию от АИС автоматической идентификационной системы, архивировать радиолокационную информацию для последующего разбора ситуации и для передачи в регистратор данных рейса «чёрный ящик».
Облик экранной информации одного из современных САРП Bridge Master серии Е фирмы Litton Marine Systems B.V. приведён на рис. 10.8.
|
Современные САРП представляют собой достаточно сложные устройства, требующие специальной подготовки операторов (судоводителей), специальной подготовки сервисного персонала.
На флоте в зависимости от водоизмещения вводятся новые автоматизированные РЛС с функциями САРП:
САС(средство автосопровождения) (АТА) — устройство, позволяющее кроме отображения радиолокационной информации производить ручной захват и автосопровождение не менее 10 целей, автосопровождение целей со скоростями до 100 уз. Данное устройство позволяет решать все функции САРП, кроме функции проигрывания маневра.
СЭП(средство электронной прокладки) (ЕРА) — устройство, которое также позволяет производить ручной захват и автосопровождение не менее 10 целей, автосопровождение целей со скоростями до 75 уз, рассчитывающее формуляр на каждую цель и сохраняющее номер точки прокладки на экране.
На судах наиболее распространены РЛС и САРП фирм НПО «Равенство» (Россия, Санкт-Петербург), НПО «Горизонт» (Ростов, Россия), Furuno Elec. (Япония), Japan Radio Co. (Япония), Koden Electronics (Япония), Consilium Marine (Италия), STN ATLAS ELEK. (Германия), Kelvin Hughes Ltd. (Великобритания), Litton Marine System B. Y. (Великобритания), Raytheon Marine (США), Sperry Marine (США), Sait Marine (Бельгия) и др. Внешний вид цифрового индикаторного устройства отечественной РЛС «Наяда-34» приведён на рис. 10.9.
Системы навигации с гидроакустическими маяками.Системы навигации с гидроакустическими маяками (СГАМ) в настоящее время находят применение при работах под водой и на морском шельфе.
Важное место СГАМ занимает в навигационном комплексе систем динамического позиционирования буровых судов и полупогружённых буровых платформ, судов для инженерно-геологических изысканий, комплексов по разработке на шельфе месторождений твёрдых полезных ископаемых с помощью подводных аппаратов, судов для укладки трубопроводов и т. п.
Используются различные варианты СГАМ, отличающиеся между собой как по расстановке маяков и приёмников гидроакустических сигналов (гидрофонов), так и по характеру сигналов и информационного обмена между маяками и приёмниками.
В современных СГАМ используются различные типы маяков.
По характеру излучения различают маяки:
— с непрерывным излучением;
— с импульсным излучением.
По тому, требует ли ГАМ перед началом излучения принять запрос в виде соответствующего сигнала или нет, различают:
— ГАМ-пингеры – с излучением без запроса;
— ГАМ-транспондеры – с излучением сигналов только по запросу.
Обычно в интересах обеспечения высокой помехозащищённости используют сложно модулированные посылки.
Для улучшения точности оценок места судна в алгоритме обработки вместе с оценками временных задержек, измеренных СГАМ, обычно используется информация о глубине моря и курсе судна.
По числу и расположению маяков и гидрофонов различают СГАМ:
— с длинной базой (ДБ);
— с короткой базой (КБ);
— со сверхкороткой базой (СКБ);
— комбинированные (или интегрированные) (КС).
СГАМ с ДБ состоит из трёх (и более) маяков, расположенных на дне моря и разнесённых на расстояние нескольких километров друг от друга (1-10 км). Обычно маяки расставлены в вершинах равностороннего треугольника. Судно, которое решает задачу позиционирования, оснащается двумя (и более) горизонтально разнесёнными приёмниками (гидрофонами), расстояние между которыми составляет 10 м и более.
При использовании маяков-транспондеров такая измерительная система является дальномерной. По временным задержкам между моментом излучения импульса запроса и получением ответного сигнала при известной скорости распространения сигнала оцениваются дальности между маяками и гидрофонами. При использовании маяков-пингеров система становится разностностно-дальномерной, так как оцениваются разности между наклонными дальностями.
Обычно частота несущей в САГМ с ДБ находится в диапазоне от 6 кГц до 50 кГц. Точность позиционирования судна зависит от количества маяков и их расположения относительно судна.
Приводим некоторые характеристики известных зарубежных систем. ATNAV-II (Acoustic Transponder Navigation) фирмы Amer. Machine Foundry С: точность 2-3 м, F-запроса 9 кГц и 11 кГц, F-ответа 7,5-15 кГц. Model 6000 фирмы Ocean Research Equipment точность 1 м, F-запроса 6 кГц, F-ответа 10-12 кГц.
СГАМ с КБ состоит всего из одного маяка-ответчика, судно оснащено двумя (и более) гидрофонами, расстояние между которыми составляет 7-10 м, и генератором ГА сигнала для формирования импульсов запроса. Как и в СГАМ с длинной базой, позиционирование производится по временной задержке между сигналами от маяков. Для однозначной оценки места судна требуется иметь оценки курса судна и глубины. Точность позиционирования при такой системе зависит от азимутального угла поступления сигнала на гидрофоны и быстро снижается с уменьшением углов места. Обычно погрешность составляет 1 % от глубины при угле места более 45° и 15 % от глубины — при малых углах.
В СГАМ с СКБ, как и в системах с КБ, позиционирование производится с использованием одного или нескольких маяков-ответчиков, однако судно оснащается одним приёмником-антенной решёткой из гидрофонов, расположенных между собой так, что расстояние между соседними гидрофонами составляет около половины средней рабочей длины волны.
С помощью антенной решётки производится измерение азимутального угла, с которого поступает сигнал. Необходимо использование оценок курса и глубины, как и для СГАМ с КБ. Точность позиционирования в таких системах та же, что и в системах с КБ. Эти системы (RS-7, RS-900, 904, 906, HPR и т. д.) получили наибольшее распространение.
При позиционировании буровых судов и платформ для повышения точности и надёжности рекомендуется использовать комбинированные системы, которые включают несколько маяков-ответчиков и две и более акустических антенных решётки. При использовании СГАМ с ДБ и КС точность позиционирования зависит от точности оценки координат маяков. Поэтому перед использованием необходимо провести достаточно сложные подготовительные работы.
При работе с СГАМ требуется измерять профиль скорости звука, от которого зависит точность оценки угловых измерений, глубины и наклонных дальностей.
Электронные картографические навигационные информационные системы.Внедрение информационных технологий в практику судовождения позволяет интегрировать навигационную и гидрографическую информацию в единой судовой системе и за счёт этого повысить безопасность судовождения. Электронные картографические навигационные информационные системы интенсивно разрабатываются и применяются как в России, так и за рубежом. Активное участие в этом принимают Международная морская организация (ММО), Международная гидрографическая организация (МГО) и Международная электротехническая комиссия (МЭК).
Системы отображения карт и информации различаются по уровню предъявляемых к ним требований и возможностям отображения навигационно-гидрографической информации на экране монитора. Электронные картографические системы разделяются на RCDS (Raster chart display system), ECS (Electronic chart system) и ECDIS (Electronic chart display and information system). Системы представляют совокупность программных и технических средств, позволяющих решать вопросы безопасности судовождения при использовании электронной базы данных по навигационной гидрографической обстановке в данном регионе.
В RCDS на экране монитора воспроизводятся растровые карты, представляющие сканерный образ (фотографию) бумажных карт. Эти карты по отображению совпадают с бумажными, что позволяет наглядно отслеживать местоположения судна на дисплее и производить сравнение с прокладкой на бумажной карте. Однако использование подобных карт ограничивает возможности судоводителя при решении навигационных задач, обеспечивающих безопасность судовождения (сигнализация при приближении к опасностям, обозначенным на карте, плавание по внутренним водным путям и др.), поэтому такие карты могут использоваться только как информационные.
ECS и ECDIS работают с векторными электронными навигационными картами (ЭНК), что значительно увеличивает возможности решения навигационных задач, так как все элементы карты имеют определённый код, на который может реагировать электронная картографическая система. Функциональные возможности ECS, по сравнению с RCDS, значительно расширены. Подобная система может решать все основные задачи судовождения и отвечает международным и национальным требованиям. Отображение ЭНК официальных гидрографических служб не является обязательным условием работы системы, поэтому в ECS могут быть использованы ЭНК различных коммерческих структур, имеющих свой внутренний формат.
Так же как и RCDS, ECS может использоваться на судне только как информационная система. Наличие бумажной карты, откорректированной по последним извещениям мореплавателям, является обязательным условием эксплуатации судна.
ECDIS является системой более высокого уровня и должна отвечать всем требованиям ММО, МГО и МЭК для ECDIS, а также иметь сертификат о типовом одобрении. Согласно Конвенции SOLAS-1974 с 2002 г. ECDIS входит в перечень судового навигационного оборудования (правило 19) и может использоваться для ведения исполнительной прокладки. Впервые об этом было официально объявлено в резолюции ИМО А817(19). При наличии на борту судна ECDIS и коллекции официальных карт, ЭНК может являться юридическим эквивалентом бумажной карте.
ECDIS в этом случае должна состоять из двух комплектов — основного и резервного, объединённых в сеть. Обычно основной комплект устанавливается на ходовом мостике, а резервный — в каюте капитана. Сеть дополнительных станций может быть увеличена и использована для распространения информации. Каждая станция имеет функциональную независимость и может использоваться для решения различных навигационных целей — прокладка нового маршрута, просмотр коллекции карт и т. д.
ЭНК в данном случае представляет специально составленную базу данных, опубликованную уполномоченной гидрографической службой или другим соответствующим правительственным учреждением. Она должна отвечать требованиям безопасности морского судовождения. Официальной гидрографической службой России является Главное управление навигации и океанографии Министерства обороны (ГУНиО МО).
Основной единицей распространения ЭНК является ячейка, представляющая навигационно-гидрографическую информацию определённого географического района. Объём информации файла ячейки не должен превышать значения 5 мегабайт. В ячейке содержится часть базы данных навигационно-гидрографической обстановки определённого географического района. Имя ячейки состоит из восьми символов. Первые два символа указывают код страны — производителя ЭНК, а третий символ обозначает код масштабного ряда 1-6. Остальные пять символов являются идентификатором ячейки данного масштабного диапазона.
Рассматривая ECDIS как систему объединения всей навигационной информации на борту судна, необходимо отметить обязательное сопряжение системы с датчиками внешних носителей информации. Этими датчиками являются приёмоиндикатор спутниковой или радионавигационной системы, компас и лаг.
Обязательное оснащение судов автоматическими идентификационными системами и приборами регистрации данных о рейсе предусматривает подключение этого оборудования в ECDIS.
В перечень основных навигационных задач включены те, которые обеспечивают безопасность судовождения. К ним относятся задачи подъёма карт, проработки маршрута перехода, записи информации в судовой журнал, архивации траекторий движения, срабатывание сигнализации при приближении судна к опасным районам, решение основных навигационных задач расчёта времени плавания по маршруту и пройденного расстояния.
Многие ECDIS имеют расширенные возможности решения дополнительных навигационных задач, что значительно облегчает работу судоводителя как в режиме подготовки к плаванию, так и во время плавания. Подобный сервис может включать решение задач расчётов приливов, течений, индикации информации Навтекс, обработки радиолокационных сигналов в режиме САРП, решение астрономических задач, информацию о портах, прогнозе погоды и т. д.
Работа ECDIS с базой данных по навигационно-гидрографической изученности района требует решения технических задач отображения электронных навигационных карт в соответствии с требованиями МГО, поддержки этой базы данных на уровне современности и решения прикладных задач судовождения при использовании этой базы данных.
Особое внимание уделяется вопросу поддержки имеющейся базы данных и своевременной замене информации подлежащей обновлению. Для решения этой задачи структура МГО предусматривает функционирование и развитие Региональных координационных центров ЭНК. Вся навигационно-гидрографическая информация официальных гидрографических служб своевременно пересылается и поддерживается на уровне современности в этих центрах. Они создаются МГО и уполномочены ММО решать вопросы обеспечения судов данными по навигационно-гидрографической изученности в районе плавания.
В документах МГО изложены требования к корректуре и сервису распространения корректурной информации:
— официальные корректуры МГО должны отличаться от местных, выпущенных портовыми властями,
— ECDIS должна отображать ручную и автоматическую корректуру.
Ручная корректура основана на неформатированной информации корректуры (извещения мореплавателей, передача голосом по радио и т. д.). Корректурная информация должна вводиться в структурированной форме, соответствующей стандарту ECDIS.
Автоматическая корректура — процесс корректуры, при котором информация корректуры воспринимается в Системной электронной навигационной карте (СЭНК) без вмешательства оператора.
Автоматическая корректура может быть разбита на два подкласса.
1. Полная автоматическая корректура — метод корректуры, при котором данные корректуры достигают ECDIS напрямую от дистрибьютора без какого-либо вмешательства человека. Это может быть достигнуто через передачу по радио, Интернет и т. д. Следуя процедурам подтверждения или приёма, ECDIS автоматически производит корректуру СЭНК.
Судоводитель при этом не предпринимает никаких действий, а только отслеживает дату последней корректуры карт судовой коллекции. Изменение даты подтверждает принятие корректуры.
2. Полуавтоматическая корректура — метод корректуры, требующий вмешательства человека для установления связи между техническими средствами, используемыми для передачи информации по корректуре, и ECDIS. Следуя процедурам подтверждения или приёма, ECDIS автоматически производит корректуру в СЭНК.
В таких случаях судоводитель вынужден предпринимать определённые действия для корректуры судовой коллекции карт. Корректурные файлы могут передаваться пользователю ECDIS на CD дисках, дискетах, по каналам телефонной связи, через Интернет. Результатом подобной корректуры является также обновлённая ЭНК с изменённой датой последней корректуры.
Внедрение новых информационных технологий в сочетании с эффективным учётом роли человеческого фактора позволяет производить решение навигационных задач безопасности судовождения на более высоком профессиональном уровне.
Мореходные инструменты и приборы.Наряду с рассмотренными выше навигационными системами на кораблях и судах используются традиционные мореходные инструменты и приборы.
Секстан — отражательный угломерный прибор, идея которого принадлежит Нью-тону и суть её в том, что удвоенный угол поворота зеркала равен измеряемой высоте светила или углу между двумя навигацион-ными ориентирами (рис. 10.10).
Точность отсчёта углов секстаном 0,1-0,2 угл. мин.
В настоящее время секстан является обязательным мореходным инструментом для измерений высот светил и углов.
Для опознания наблюдаемых светил (звезд и планет) служит звёздный глобус, который позволяет не только опознать светило, но и заранее наметить наиболее благоприятные для наблюдения звезды и планеты.
Курсограф — прибор, устанавливаемый на ходовом мостике и позволяющий в автоматическом режиме непрерывно регистрировать значение курса судна на бумажной ленте. По записям на ленте курсографа можно судить о качестве процесса удержания судна на курсе как при ручном, так и при автоматическом управлении движением судна.
авигационные комплексы
Технические средства навигации, построенные на различных физических принципах и вырабатывающие различные навигационные данные, используются на кораблях (судах) для решения единой задачи: навигационного обеспечения судовождения, технических и специальных средств кораблей (судов).
Чем выше требования к точности и надёжности навигационного обеспечения, тем большее число технических средств размещается на корабле (судне). Эффективное их использование предполагает создание корабельного (судового) навигационного комплекса, решающего следующие основные задачи:
— обработку информации, поступающей от навигационных средств, в том числе фильтрационную;
— автоматизацию управления техническими средствами навигации;
— отображение навигационной информации в форме, удобной для пользователей;
— трансляцию навигационной информации корабельным (судовым) потребителям;
— преобразование параметров первичной корабельной (судовой) сети электропитания к виду, обеспечивающему работу технических средств навигации.
Для решения указанных задач навигационный комплекс должен иметь собственные вычислительные средства, построенные по иерархическому принципу. Нижний уровень составляют вычислительные средства, как правило, микропроцессорные, встроенные в технические средства навигации, верхний — средства комплексной обработки навигационной информации. Специфика вычислительных средств навигационного комплекса заключаемся в том, что они работают в реальном масштабе времени и обеспечивают длительную (во многих случаях в течение тысяч часов) работу без сбоев и отказов. Кроме того, в связи с наличием в составе навигационных систем и приборов аналоговых устройств (датчики гироскопов, акселерометров, измерители углов поворота колец карданных подвесов и т. д.) вычислительные устройства содержат высокоточные преобразователи «аналог-код» и «код—аналог».
Обмен данными между техническими средствами навигационного комплекса и передача данных потребителям навигационной информации осуществляется по магистралям кодового обмена. На кораблях часто используется мультиплексный канал обмена информацией по ГОСТ 26765.52-87, на судах — сеть с раздельной средой и широковещательной передачей информации Ethernet (ГОСТ 43913.3-91).
Для отображения навигационной информации используются дисплей и электронно-лучевые индикаторы, аналоговые и цифровые репитеры.
Рабочее место штурмана (судоводителя) оформляется в виде единого пульта, в котором размещаются средства отображения (в том числе приёмоиндикаторы РНС и СНС, выносной индикатор радиолокатора и ЭКНИС), органы дистанционного управления техническими средствами навигации и отображения их текущего состояния.
В зависимости от сложности решаемых задач навигационный комплекс содержит от одного-двух десятков приборов (малые корабли и суда) до более чем ста приборов — по существу все виды технических средств навигации (атомные подводные лодки).
В России морские навигационные комплексы разрабатывают и поставляют ЦНИИ «Электроприбор» и ЦНИИ «Дельфин». Среди зарубежных фирм отметим Litton Marin Systems (США), Atlas Electronics (ФРГ), Sagem (Франция), Kelvin Huges (Великобритания), Norcontrol (Норвегия).