Навигация и лоция СПГУВК-2004. Дмитриев В. И., Григорян в л., Катенин В. А
 Скачать 24.68 Mb.
|
|
Требования к точности координат места судна Типы судов Погрешность определения места (P =0,95), м Доступность, % Частота определения, с Внутренние водные пути Все суда и буксиры 2 −5 99,9 1 −2 Маломерные суда 5 −10 99,9 5 −10 Речные суда для про- изводства работ 0,1 −5 99,5 1 −2 Акватории портов и подходы к ним Крупнотоннажные су- да и буксиры 8 −20 99,7 6 −10 Маломерные суда 8 −20 99,9 В зависимо- сти от мест- ных условий Суда для поиска и до- бычи полезных иско- паемых 1 −5 99,0 1 Суда для производства работ 0,1 −5 99,0 1 −2 Рыболовные суда 8 −20 99,7 2 Прибрежная зона Все суда 460 99,7 120 Маломерные суда 460 −3700 99,0 300 Рыболовные суда 460 99,0 60 482 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания Таблица 34.1. Требования к точности координат места судна Окончание Типы судов Погрешность определения места (P =0,95), м Доступность, % Частота определения, с Суда для поиска и до- бычи полезных иско- паемых 1,0 −100 99,0 1 Научно-исследователь- ские суда 460 99,7 60 Океанская зона Все суда 3700 −7400 99,0 900 Большие суда макси- мальной эффективно- сти 185 −460 99,0 300 Суда для поиска и до- бычи полезных иско- паемых 10 −100 99,0 300 60 Научно-исследователь- ские суда 185 −460 99,0 60 Таким образом, качественный облик перспективных систем радионавигации будут определять спутниковые навигационные сис- темы, которые продолжают интенсивно развиваться и совершенство- ваться, предоставляя все новые и новые услуги потребителям в кос- мосе, воздухе, на воде и земле. В обозримой перспективе (2008—2010 гг.) в мире будет на- ходиться в эксплуатации три спутниковые навигационные системы: GPS, ГЛОНАСС и "Галилео", а также дифференциальные дополне- ния к ним. Рассмотрим перспективы развития каждой из них. Global Position System (GPS). Учитывая возрастающие воз- можности спутниковых технологий и национальные интересы, в США принят в 1996 г. долгосрочный план модернизации системы GPS, которая обусловлена: • необходимостью обеспечения для гражданских потребителей более высокой точности, надежности и целостности навига- Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 483 ционного сигнала. Код С/А на частоте L1 не полностью удов- летворяет перспективные требования гражданских потреби- телей к навигационному обеспечению; • необходимостью повышения для военных потребителей по- мехозащищенности сигнала, а также предотвращения исполь- зования GPS противником. Модернизация предполагает: 1) введение дополнительных общедоступных кодирован- ных сигналов. Второй гражданский сигнал будет транслироваться на частоте 1227,6 МГц, известной как частота L2. В настоящее время эта частота модулируется только с помощью P(Y) -кода, используе- мого военными потребителями. Третий гражданский сигнал L5 будет передаваться на частоте 1176,45 МГц в диапазоне служб авиацион- ной радионавигации (ARNS — Aeronautical Radionavigation services). Расположение сигнала в диапазоне ARNS необходимо для использо- вания всех доступных сигналов при обеспечении безопасности поле- тов авиации. Сигнал на частоте L5 был разработан с целью улучше- ния характеристики существующего С/А-кода на частоте L1. Мощ- ность сигнала L5 будет больше на 6 дБ, чем у сигнала L1. Состав- ляющая нового сигнала, в которой отсутствуют навигационные дан- ные, позволит обеспечить наиболее устойчивое слежение за фазой. Полоса пропускания передающего канала составляет минимум 20 МГц и при высокой скорости передачи позволит достичь более вы- сокой точности даже при наличии шума и многолучевости. Предпо- лагается, что использование кода, более длинного, чем С/А-коды на частотах L1 и L2, уменьшит внутренние помехи системы, обуслов- ленные внутренней взаимной корреляцией; 2) проведение мероприятий, направленных на предотвра- щение использования системы GPS противником, так чтобы США и союзники сохраняли военное преимущество без нарушения работы гражданских потребителей GPS. Модернизация сводится к вводу новых военных кодов (М-код), которые будут применять тот же спектр радиосигнала, ко- торый используется сигналами, передаваемыми на частотах L1 и L2. Новый военный сигнал будет иметь криптозащиту и изменения в формате навигационных данных. НКА следующего поколения будут передавать при необходимости М-кодированные сигналы в требуе- 484 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания мом регионе с мощностью на 20 дБ больше, чем у существующего сегодня Р(Y) -кода. Следует заметить, что для гражданских потребителей первый реальный шаг по модернизации GPS был сделан 1 мая 2000 г. с от- мены режима селективного доступа. В результате модернизации существенно повысится точность навигационных определений. В табл. 34.2 приведены данные, харак- теризующие новые возможности модернизированной GPS. Таблица 34.2. Точностные характеристики модернизированной GPS Источники ошибок С/А на L1 с SA С/А на L1 безSA С/А на L1 и L2 и/или L5 безSA Атмосферная задержка рас- пространения сигнала в ио- носфере, с 7,0 7,0 0,1 Атмосферная задержка рас- пространения сигнала в тро- посфере, с 2,0 0,2 0,2 Суммарная ошибка измере- ния дальности НАП, м 25,0 7,5 2,8 Точность определения коор- динат в автономном режиме (в плане 95%), м 100,0 22,5 8,5 Программа модернизации сигналов GPS неразрывно связана с модернизацией орбитальной группировки КА и наземного контура управления системы. Модернизация орбитальной группировки должна быть вы- полнена до 2010 г. (когда будут запущены все 12 спутников серии Block IIF). С запуском этих спутников будет реализована межспутнико- вая линия связи и измерений, что позволит довести автономность НКА GPS до полугода. Для обеспечения гражданских и военных за- дач в период до 2030 г. приняты рекомендации Министерства Обо- роны по разработке нового поколения спутников (серии Block III) и соответствующей наземной сети управления для использования ее Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 485 после 2010 г. Цель программы GPS Block III — добиться создания такой архитектуры GPS, которая будет удовлетворять существующие и перспективные требования военных и гражданских потребителей. Модернизация наземного контура управления направлена на: • обеспечение возможности отслеживания всех сигналов, пере- даваемых орбитальной группировкой GPS; • техническую модернизацию существующих станций монито- ринга системы GPS; • замену компьютеров главной станции управления на сеть с распределенной архитектурой; • интеграцию с сетью спутникового контроля ВВС США и обеспечение полной совместимости со спутниками серии Block IIR; • ввод в действие дублирующей станции оперативного контро- ля (AMCS — Alternate Master Control Station) на авиабазе Ванденберг (Vandenberg); • обеспечение функций управления и контроля для спутников серии Block IIP. Модернизация GPS позволит: • улучшить точность местоопределения в стандартном режиме со 100 до 8м (95%); • обеспечить разрешение неоднозначности при выполнении высокоточных фазовых измерений; • уменьшить влияние любых случайных помех на систему и аппаратуру потребителей. Все это создаст возможности для появления новых вариантов применения GPS. Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). В настоящее время космический сегмент системы ГЛОНАСС состоит из восьми спутников, из них только семь исполь- зуются по целевому назначению. К недостаткам существующей сис- темы ГЛОНАСС следует отнести: • малый срок активного существования ее НКА (гарантийное время активного существования — 36 мес.); • неполный состав орбитальной группировки (7 НКА), что при- водит к перерывам в обсервациях до 2,5—4 ч; • невозможность определения потребителями поправки систе- 486 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания мы курсоуказания; • отсутствие необходимого количества аппаратуры потребите- лей ГЛОНАСС; • недостаточная помехоустойчивость системы, в том числе и аппаратуры потребителей. С целью восстановления состава системы ГЛОНАСС и ее развития в России принята и реализуется обширная программа по модернизации космического и наземного сегментов системы. Основные положения этой программы сводятся к следующе- му: • система будет находиться под государственным контролем и управлением и обеспечивать интересы гражданских и воен- ных потребителей, в том числе и зарубежных; • система будет совместимой (на уровне аппаратуры пользова- телей) с другими спутниковыми навигационными системами (GPS, "Галилео"), но независимой от них; • в системе будет реализован режим, исключающий несанк- ционированное использование высокоточных навигационных каналов; • в системе будет реализован комплекс мероприятий, обеспе- чивающих ее защищенность от несанкционированного вне- дрения в управление, искусственных и преднамеренных по- мех, атак террористов; • восстановление орбитальной группировки до штатного со- става будет обеспечено в сроки, сопоставимые со сроками развертывания систем GPS IIF и "Галилео"; • система будет удовлетворять перспективным требованиям потребителей и обладать характеристиками (табл. 34.3), ко- торые, по крайней мере, не уступят характеристикам проек- тируемых систем GPS Block IIF и "Галилео"; • в системе будет обеспечен переход навигационного сигнала в новый частотный диапазон (литеры от минус 7 до плюс 6) с подавлением внеполосных помех. Развитие ГЛОНАСС непосредственно связано с развитием спутниковой навигации за рубежом. Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 487 Таблица 34.3. Эксплуатационные характеристики среднеорбит- ных ГНСС Показатель Значение показателя для ГЛОНАСС ГЛОНАСС-М Зона обслуживания Глобально Количество обслуживаемых потребителей Не ограничено Точность навигационных оп- ределений: по координатам, м 20 −30 10 −15 по скорости, см/с 3 −5 1 −2 Оперативность, мин 0,5 −4 0,5 −4 Целостность (время оповеще- ния об отказе) 0,5 −12 ч До 10 с Доступность 0,99 0,99 Европейская СНС "Галилео". Системы GPS и ГЛОНАСС разрабатывались главным образом для военного применения, однако в последнее время наметилась тенденция все более широкого и ин- тенсивного их использования гражданскими потребителями. Тем не менее, указанные системы остаются и будут оставаться под военным управлением, что означает отсутствие гарантий для гражданских пользователей в постоянном доступе к системам, в частности в пе- риоды международных кризисов. Кроме того, по мере накопления гражданскими пользователями опыта работы с системами GPS и ГЛОНАСС выявились серьезные их ограничения, а именно: 1) недостаточная точность решения навигационных задач для обеспечения: • управления воздушным движением в районе аэропорта, при заходе на посадку и посадке; • управления и навигации морского (речного) транспорта в гаванях, узкостях, проливах, реках; • управления железнодорожным и автомобильным транс- портом; 488 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания 2) недостаточная целостность из-за неспособности систем быстро обнаружить свое неправильное функционирование и опера- тивно оповещать об этом пользователей; 3) невозможность использования GPS и ГЛОНАСС в стан- дартном режиме для управления движением подвижных объектов, передачи координатно-временной информации, сигналов бедствия, опознавания и др. В этой связи в Европе проводят работы по созданию ГНСС нового поколения, базирующихся на современных технологиях связи и навигации, а также на имеющемся промышленном потенциале. Ев- ропейская ГНСС получила название "Галилео". В Европейском союзе: • считают, что многие проблемы его суверенитета и безопасно- сти будут под угрозой, если критическая в этом плане GPS останется вне его контроля и управления; • опасаются, что союз может оказаться под угрозой чрезмер- ных требований по оплате услуг со стороны монопольной американской GPS и вынужден будет полностью принять диктат США; • учитывают, что рынок НАП ГНСС только в Европе уже в 1997 г. составил 230 млн долларов и ожидается его рост к 2004 г. до 960 млн долларов, а выгоды за период 2005 — 2023 г.г. могут составить около 85 млрд долларов, в то время как возможность Европы конкурировать на этом прибыльном рынке может быть серьезно ограничена, если не будет равно- го доступа к технологическим достижениям непосредственно в ГНСС; • считают, что спутниковая навигация будет играть все более фундаментальную роль в будущем, заменяя обширную на- земную инфраструктуру других средств и давая существен- ную экономию. Предполагается, что ГНСС "Галилео" должна быть: • независимой от GPS, но взаимодействующей с нею; • управляемой под международным контролем; • более точной и доступной, быстро обнаруживать и оповещать о неисправности элементов системы; • рентабельной; Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 489 • открытой для участия других партнеров, в частности, России, что выгодно Европе. В систему должны войти по крайней мере 21 спутник на ор- битах наклонением 55—60° и высотой 23000—24000 км, соответст- вующая наземная инфраструктура и региональные и местные расши- рения. Аппараты будут передавать три типа навигационных сигна- лов: бесплатный общедоступный, платный сигнал повышенной точ- ности (фактически — дополнительный поток данных, модулирую- щий основной сигнал) и высокоточный сигнал, применяемый в госу- дарственных службах безопасности и управления системами транс- порта. Заявленная погрешность определения положения в режиме общего доступа — 4 м, с использованием высокоточного сигнала — 0,45 м, время оповещения пользователя об отказе НКА — 6с. Пред- полагается сделать систему "Галилео" совместимой по аппаратуре пользователя с GPS и ГЛОНАСС, чтобы для определения местопо- ложения он мог использовать любую комбинацию НКА всех трех систем. Запуски НКА планируются с 2004 г., начало передачи нави- гационного сигнала — с 2005 г., начало эксплуатации в полном объ- еме — с 2008 г. Спутниковую группировку планируется развернуть полно- стью к 2007 г. В случае привлечения партнеров, не входящих в Евро- пейский союз, ее численность может быть доведена до 30 аппаратов, включая 27 рабочих и 3 резервных. Среднеорбитную группировку могут дополнять несколько геостационарных НКА. Наземный сег- мент будет включать примерно 14 станций, связанных специальной сетью связи для мониторинга положения НКА и точности их борто- вых часов и вычисления поправок. Параллельно с ГНСС "Галилео" в Европе разрабатывается другой проект — EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service — Европейская дополнительная геостационарная навигаци- онная служба). Его суть состоит в передаче с геостационарного спутника данных дифференциальной коррекции и другой дополни- тельной информации для пользователей существующих спутниковых навигационных систем. В 2000 и 2001 г. с помощью аппаратуры EGNOS на спутниках Inmarsat 3 уже были проведены тесты, пока- завшие возможность определения положения движущегося объекта с погрешностью до 1 м. Система EGNOS будет завершена в 2003 г. и войдет в строй в начале 2004 г. В ней будет задействовано три спут- 490 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания ника. В последующем (до 2015 г.) ее предполагается интегрировать в систему "Галилео". Появление среднеорбитных спутниковых навигационных систем, дифференциальных методов определения места по ним, электронных карт и прецизионных средств курсоуказания открыли принципиально новые возможности в судовождении. Ниже остано- вимся на рассмотрении некоторых из них. 34.2 Комплексное использование спутниковых и геоинформационных технологий Современный этап развития навигационно-гидрографи- ческого обеспечения судовождения характеризуется значительным увеличением потоков разнородной информации, необходимой для принятия оптимальных управленческих решений, в том числе и в экстремальных ситуациях. Для охвата всего объема информации она должна быть пред- ставлена в удобном и обозримом виде, позволяющем из всего мно- жества данных выбирать только важные и необходимые. Кроме того, обоснованность управленческих решений во многом зависит от при- менения для этих целей математических методов оптимизации, реа- лизованных в виде машинных методик, что в целом дает возмож- ность автоматизировать этот процесс и существенно повысить про- изводительность труда. Решение указанных проблем становится уже невозможным без привлечения автоматизированных информационно-управля- ющих систем с использованием геоинформационных технологий. Одним из основных средств геоинформатики являются географиче- ские информационные системы (ГИС), под которыми понимается совокупность компьютерного оборудования, программного обеспе- чения, географических данных и произвольного проектирования пользователем хода работ для накопления, хранения, видоизменения, обработки, анализа и визуализации всех форм информации. Основой любой ГИС является цифровая карта. ГИС позволя- ет создавать карты в разных масштабах и проекциях с разнообразной окраской, определять пространственные связи между объектами кар- ты. При этом ГИС позволяет создать любую нужную географиче- скую картину, удовлетворяющую требованиям потребителя. Таким Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 491 образом, главное назначение ГИС — оперативное представление пользователю достоверной и обработанной пространственно- распределенной информации, необходимой для решения управлен- ческих задач, что делает ее незаменимым аналитическим инструмен- том в повседневных и экстремальных условиях. Успешность функционирования ГИС во многом обусловлена соблюдением следующих основных требований, предъявляемых к ним. ГИС должна быть: • полной, т. е. охватывать все стороны информационного, про- граммного и технологического обеспечения, которые встре- чаются в процессе эксплуатации системы; • комплексной, т. е. иметь возможность совместного анализа больших групп параметров в их взаимосвязи; • открытой, т. е. обеспечивать легкость модификации и пере- налаживания с целью поддержания ее на уровне современно- сти, что необходимо как для обеспечения эволюционности, так и для решения разнообразных задач; • защищенной, т. е. обеспечивать защиту информации, предна- значенной для различных уровней управления. Кроме того, ГИС должна обеспечить решение следующих ча- стных задач: • создание и ведение баз пространственно-распределенных данных; • создание и редактирование цифровых карт в различных про- екциях и масштабах; • отображение различных данных в виде карт, графиков, диа- грамм и т. п.; • анализ картированных данных; • измерение геометрических характеристик природных объек- тов, расстояний от географических точек до районов с теми или иными условиями и т. д.; • изменение масштабов отображения, форм и вида представле- ния графической и картированной информации; • привязку информации из баз данных к географическим объ- ектам на цифровых картах; • интерполяцию и построение векторных и скалярных полей по информации из баз данных; 492 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания • выполнение запросов на многообразные выборки из баз дан- ных, на отображение и пространственный анализ картиро- ванных данных (по параметрам, периодам времени, районам и т. д.); • документирование информационной продукции; • применение приложений для выполнения специальных видов обработки, хранения информации и др. Одной из сложнейших проблем в ГИС-технологии является оперативный сбор и хранение исходных данных, съемка которых представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс. В на- стоящее время наибольшее распространение в качестве основы для создания цифровых карт получили традиционные морские навигаци- онные карты. Однако при их отсутствии или при необходимости по- лучить оперативную информацию большого пространственного ох- вата представляется целесообразным использовать дистанционные средства. Особая роль здесь отводится спутниковой информации в ГИС, где результаты дистанционного зондирования поверхности Земли (океана) из космоса являются регулярно обновляемыми ис- точниками данных, необходимых для формирования информацион- ных слоев электронных карт в широком спектре масштабов (от 1:10 000 до 1:10 000 000). При этом информация от дистанцион- ных средств зондирования позволяет не только оперативно оцени- вать, но главным образом, производить обновление и корректуру ис- пользующихся графических слоев. Также отметим, что в ГИС важны не только слои информации, но и точная привязка объектов на них к географической системе координат. С учетом изложенного, для формирования графических слоев может быть полезной комплексная информация от следующих спут- никовых систем: навигационных (ГЛОНАСС, GPS, ГЛОНАСС + GPS); освещения обстановки; океанографической; ме- теорологической; топогеодезической и др. При этом для осуществления связи между морским подвиж- ным объектом и пользователями различного уровня предусматрива- ется использование космических аппаратов — спутников- ретрансляторов (рис. 34.1). Основные системы, обеспечивающие сбор данных для ГИС, — спутники с дистанционными средствами зондирования, работаю- щими в оптическом диапазоне. Для оперативности передачи спутни- ковой информации предлагаются качественно новые подходы, кото- Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 493 рые предусматривают применение векторного квантования изобра- жений или непосредственное преобразование изображений в цифро- вой вид на борту космического аппарата для дальнейшей передачи их потребителю. Рис. 34. 1. Схема информационного взаимодействия морского подвижного объекта со спутниками и пользователя- ми различного уровня Интегрирование спутниковой информации и ГИС- технологий открывает принципиально новые возможности в созда- нии автоматизированных информационно-управляющих систем. Но- вая технология имеет следующие достоинства, которые выводят ее в лидеры: 494 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания • комплексность информации; • оперативность ее получения и представления в компактном виде; • наглядность представления; • анализ совокупной разнородной информации и выработка обоснованных управленческих решений; • мобильность системы. Рассмотрим возможность использования новой технологии в автоматизированных информационно-управляющих системах на су- дах (АУИС −С). Система предназначена для автоматизированной подготовки обоснованных управленческих решений при повседневной деятель- ности судов. Структура АИУС −С должна соответствовать штатной ин- формационно-управляющей структуре судна. При этом АИУС −С строится на базе локально-вычисли- тельной сети (ЛВС), которая обеспечивает информационную под- держку для принятия управленческих решений в рамках компетен- ции различных звеньев командования судна, включая вахтенного на мостике. В такой системе должны быть предусмотрены алгоритмы ввода-вывода, фильтрации, анализа и корректуры данных, а также возможность наращивания числа рубрик, удаления ненужных и пе- реименования имеющихся. Доступ к информации осуществляется по технологии "Клиент-сервер". Основной элемент любой АИУС −С — автоматизированное рабочее место (АРМ) специалиста. Типовое АРМ состоит из персо- нального компьютера с источником бесперебойного питания, про- граммного обеспечения с базами данных и использует текущую ин- формацию датчиков. Одной из проблем при создании АРМ конкретного пользова- теля (в нашем случае — вахтенного помощника капитана) является разработка интерфейса. Среди существующих наиболее удобен для непрофессиональных (с точки зрения специалистов в области ком- пьютерных технологий) пользователей интерфейс типа иерархиче- ского меню, который предоставляет схему обработки информации по принципу "смотри и выбирай". Это значительно упрощает взаимо- действие пользователя с компьютером, поскольку использование ме- ню не требует изучения языка общения с системой. Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 495 Принцип построения интерфейса целесообразно осуществ- лять в соответствии с функциональными обязанностями штурмана. Система должна оперировать с восемью группами данных, структур- но объединенных в основные блоки (картографический, навигацион- ный, океанографический, тактический, моделирования) и вспомога- тельные (справочный, архивный, сервисный). Картографический блок предназначен для выработки элек- тронных карт различных масштабов и проекций, являющихся ядром ГИС. Содержит следующие рубрики (разделы): электронные карты; специальные карты; справочные карты; вспомогательные карты. Блок позволяет: • осуществлять выбор нужной карты, автоматическую ее за- грузку и перемещение карты на экран; • управлять масштабом и нагрузкой карты (базовой, стандарт- ной, полной); • осуществлять просмотр карты на любой географический рай- он с увеличением (уменьшением) изображения в целом или отдельной области; • выбрать объект на карте и выдать по нему справку; • выбрать нужные информационные слои (локальные места) и составить из них мозаику; • произвести смену экранной палитры. Навигационный блок предназначен для ведения навигаци- онных прокладки и журнала (документирования обстоятельств пла- вания). Включает следующие рубрики: средства навигационного оборудования; навигационные расчеты; предварительная прокладка; исполнительная прокладка; автоматическое документирование те- кущих навигационных параметров и обстоятельств плавания; выра- ботка сигналов предупреждений. Блок позволяет: • обосновать выбор и отобразить основной и резервный мар- шруты перехода судна в порт назначения; наложить на них слои географической, океанографической, справочной и др. информации; • вести исполнительную прокладку и производить навигацион- ные расчеты; • формировать "мозаику" из различных информационных слоев 496 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания или их фрагментов. Блок океанографических данных предназначен для сбора, хранения и анализа данных о внешней среде в интересах обеспече- ния безопасности плавания. Блок включает гидрографические сведе- ния, океанографические данные, метеорологические данные. Блок позволяет: • подготавливать исходные данные для машинных методик блока моделирования по оценке воздействия внешней среды на эффективность выполнения рейса; • прогнозировать состояние внешней среды и учесть ее влия- ние на безопасность плавания; • использовать информацию для предварительной оценки воз- можности применения радионавигационных средств и раз- личных полей Земли в интересах навигации; • выдавать океанографическую информацию другим пользова- телям. Общесудовой блок предназначен для: • учета состояния судна (наличия и состояния механизмов, гру- за, топлива, запасов пресной воды и др.); • планирования общесудовых мероприятий и работ и проведе- ния общесудовых и других расчетов; • учета требований руководящих документов по действиям судна в различных ситуациях и др. Блок моделирования предназначен для оперативного при- нятия обоснованных управленческих решений за счет автоматизации процесса и применения математических моделей, основанных на ап- парате исследований операций, математической статистике, теории игр, имитационного моделирования и др. Важным достоинством блока является то, что он позволяет производить оценки действий судна в динамике, а также в реальном времени или с использованием временного масштаба. Кроме того, блок позволяет моделировать различные экстремальные и повсед- невные ситуации для выработки управленческих решений. Блок справочной информации предназначен для поддерж- ки функционирования основных блоков информацией долгосрочного хранения, которая имеет вспомогательное значение. Содержит сле- Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 497 дующие рубрики: руководства для плавания; наставления и правила; справочные и вычислительные пособия; правовые вопросы; приказы и директивы. Блок позволяет оперативно найти и использовать в различ- ных целях нужную разноплановую информацию. Архивный блок предназначен для архивации информацион- ных ресурсов и их описаний, потерявших свою актуальность. Блок позволяет вести архив и предоставлять доступ к сохраненной ин- формации для ее восстановления или осуществления выборки дан- ных. В блоке могут содержаться материалы, которые не входят в со- став информационных ресурсов судоводителя. Блок "Сервисные функции" предназначен для предостав- ления судоводителю различных услуг, в том числе электронной поч- ты и автоматического секретаря. Поддерживает администрирование системы и реализует доступ к любым материалам, входящим в со- став информационных ресурсов АИУС −С. Блок обеспечивает под- ключение и доступ к информационным ресурсам общего пользова- ния или открытым ресурсам других пользователей, позволяет вы- полнить выборку собственных информационных ресурсов и их от- правку по электронной почте. В блоке предусмотрены рубрики, содержащие необходимые сведения и формы для составления заявок на ремонт и получение со складов технических средств, карт, ЗИПа, а также для их учета и списания. Отдельная рубрика включает вопросы делопроизводства. Для осуществления ежемесячного, недельного и суточного планирования деятельности в рамках судовой СУБ предусматривает- ся использование специальной программы, которая позволяет отсле- живать технические и организационные мероприятия и вести доку- ментооборот в электронном виде. Учитывая вышеизложенное, нам представляется, что осна- щение судов подобными системами с возможностью получения раз- нородной информации в реальном времени от спутниковых навига- ционных и других систем с одновременным использованием матема- тических моделей для оценки эффективности действий носителя по- зволит осуществлять управление безопасной эксплуатацией судна и предотвращение загрязнения окружающей среды самым эффектив- ным образом. По предварительным оценкам производительность ра- боты судоводителя может вырасти на порядок и более. При этом рез- 498 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания ко повышается обоснованность принятых им решений и отпадает необходимость в выполнении рутинной работы по ручному оформ- лению карт, составлению пояснительных записок, ведению докумен- тов и переписки. Созданные предпосылки позволяют перейти к разработке ка- чественно новых технических средств навигации и способов их ис- пользования. 34.3 Интегрированные навигационные системы В настоящее время в мировой практике судовождения все большее распространение получают интегрированные навигацион- ные системы, основанные на комплексном использовании разнород- ных данных. Это связано со стремлением получения максимальной эффективности от имеющихся средств навигации путем автоматиза- ции их управлением, оптимизации процессов комплексной обработ- ки навигационной информации, сокращения числа обслуживающего персонала. Внедрение ГНСС второго поколения (GPS + ГЛОНАСС) открыло новые возможности в этой области. Наиболее перспектив- ным направлением считается интеграция инерциальных и спутнико- вых данных. На судах устанавливаются так называемые бесплатформен- ные инерциальные навигационные системы (ИНС), специфика кото- рых состоит в том, что блок чувствительных элементов (акселеро- метры и гироскопические датчики, измеряющие кажущиеся ускоре- ния и угловые скорости) жестко связан с корпусом, а все необходи- мые преобразования осуществляются посредством вычислителя. От- сутствие гиростабилизированной платформы, на которой размеща- ются чувствительные элементы, приводит к существенному упроще- нию конструкции навигационной системы и снижению ее стоимости, что обусловило большое их распространение. Достоинства и недостатки ИНС и ГНСС приведены в табл. 34.4. Совместное использование данных ИНС и ГНСС в интегрированных системах позволяет сохранить достоинства и снизить недостатки ка- ждой из них. ИНС в этом случае служит в качестве интерполятора, корректируемого по данным ГНСС при наличии сигналов от НКА и вырабатывающего навигационные параметры при их отсутствии. При наличии сигналов от спутников продолжительность времени ин- Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 499 Таблица 34.4. Сравнительный анализ свойств ИНС и ГНСС Системы Достоинства Недостатки ИНС Автономность. Высокий темп выдачи координат и углов ориентации. Возможность выработки динамических па- раметров. Аппаратурное дуб- лирование. Накопление погрешностей. Проблема начальной выставки и калибровки. Проблема опре- деления курса у полюса. Зави- симость точности от гравита- ционных аномалий. ГНСС Нет накапливающихся по- грешностей. Нет зависимости от гравитационных аномалий. Малое время готовности. Нет зависимости от широты. Воз- можность измерения времени. Низкая помехозащищенность. Возможность потери сигналов (затенение). Проблема целост- ности. Начальная неоднознач- ность фазовых измерений. Воз- можность потери целого числа периодов. терполяции совпадает с интервалом поступления навигационной ин- формации от ГНСС, а при пропадании — совпадает со временем их отсутствия. Так как эти интервалы времени незначительны (единицы минут), то в интегрированной системе могут быть использованы ме- нее точные и, следовательно, менее дорогие чувствительные элемен- ты. При наличии сигналов от НКА легко решается проблема выстав- ки ИНС и происходит непрерывная калибровка чувствительного эле- мента, в том числе и в период маневрирования судна. Кроме того, используя внешнюю информацию о параметрах движения судна в НАП удается снизить полосу ее пропускания, что снижает шумы приемника и повышает точность спутниковых измерений. Наличие этой же информации существенно сокращает время, необходимое для восстановления приема спутниковых сигналов после их пропа- дания. Использование данных от ИНС облегчает решение проблемы целостности, а также решение задачи исключения неоднозначности и восстановления потерянного числа периодов при работе с фазовым каналом. 34.4 Интегрированная система ходового мостика Идея интеграции систем управления, контроля, радиотехни- ческого и навигационного оборудования судов появилась в середине 500 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания 60-х годов прошлого века. Ее появление было обусловлено возник- шими противоречиями: с одной стороны — поступлением в эксплуа- тацию большого числа новых технических средств судовождения, с другой - наметившейся тенденцией по сокращению обслуживающего их персонала на фоне возросших скоростей судов и интенсивности морских перевозок, а также появления судов, перевозящих особо опасные грузы. Разрешение этого противоречия в условиях нарас- тающего дефицита времени на принятие правильного решения стало возможным за счет внедрения процессов автоматизации судовожде- ния и интеграции множества пультов управления техническими средствами в единый пульт. Первые попытки интеграции были предприняты на боевых кораблях по принципу размещения на одном пульте дистанционного управления и сигнализации различных систем (навигации, связи, общекорабельных и т. д.). Однотипные технические средства управ- лялись посредством их коммутации. Такой подход имел существенный недостаток — низкую мо- дернизационную способность. При замене даже одного централизо- ванно управляемого технического средства на однотипное новое, требовалась значительная доработка всего интегрированного пульта. С середины 70-х годов начались работы по созданию интег- рированных пультов управления на базе вычислительной техники, основные особенности которых заключались в следующем: • обмен информацией (сигналами управления и данными) ме- жду пультом и техническими средствами осуществлялся по единому интерфейсу; • управление каждым техническим средством осуществлялось с одного рабочего места; • при подключении к пульту новых технических средств вза- мен старых аналогичного предназначения доработке подле- жало только программное обеспечение. Реализация всех достижений в этой области была осуществ- лена в начале 80-х годов в морской системе автоматизации процес- сов судовождения "Бирюза". В ней обеспечивалось решение основ- ных задач навигации и управления движением судна, включая счис- ление и прокладку пути; определение географических и маршрутных координат по данным радионавигационных систем, радиолокацион- ных и астрономических измерений; определение элементов движе- Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 501 ния целей; оценку опасности сближения судов и выработку рекомен- даций по безопасному расхождению; регистрацию навигационной информации. В системе также обеспечивался режим автоматизиро- ванных расчетов планирования и контроля грузовых операций, рас- чет прочностных и иных характеристик судна для различных вариан- тов плавания. В 90-е годы окончательно оформилась концепция изготовле- ния всего комплекса связного, навигационного оборудования и тех- нических средств управления судном от одного поставщика в едином дизайнерском исполнении. Производители электронных карт и сис- тем автоматической радиолокационной прокладки к этому времени уже перешли на обработку, решение и выдачу информации на основе компьютерных технологий и оказались готовы к распространению своих локальных сетей на весь ходовой мостик. Необходимость ин- теграции технических средств в целях повышения безопасности су- довождения юридически оформлена в ряде регламентирующих до- кументов: • новой редакции главы V Конвенции СОЛАС-74/88; • циркулярном письме Комитета по безопасности на море ИМО MSC/Circ. 982 "Руководство по эргономическим крите- риям оборудования мостика и его расположению"; • требованиях сертификационных обществ, например, "German Lloyd" и " Det Norske Veritas" к оборудованию мостика на су- дах под классификацию "Один человек на мостике"; • Правилах по оборудованию морских судов Российского мор- ского Регистра судоходства (Общие требования к ходовому мостику судов, управляемых одним человеком); • Кодексе безопасности высокоскоростных судов. Таким образом, к 2002 г. в мировом морском сообществе сложилась полная готовность перехода к интегрированным мостико- вым системам на судах гражданской постройки. Создание интегрированной мостиковой системы позволяет не только успешно реализовать функции, которые ранее выполнялись с помощью набора отдельных технических средств, но и обеспечить более оперативное и оптимальное решение "пограничных" задач на стыке нескольких, ранее разделенных (а часто и разнесенных по рас- положению) систем. 502 Раздел 8. Методы навигации в особых условиях плавания К органам управления, контроля и приборам индикации ин- тегрированной мостиковой системы относятся органы и приборы, предназначенные: • для изменения хода судна (органы дистанционного управле- ния главными двигателями, тахометры гребного винта, указа- тели положения лопастей и др.); • для передачи и регистрации команд об изменении хода судна электромеханическими средствами (машинные телеграфы, реверсографы и др.); • для наблюдения за окружающей обстановкой в районе плава- ния (индикаторы РЛС, указатели глубин, гидролокаторы, ин- дикаторы длины вытравленной якорной цепи и др.); • для индикации величин, относящихся к элементам движения судна (указатели курса, скорости, пройденного расстояния, положения пера руля, скорости поворота, осадки и др.); • для ведения радиосвязи по УКВ (органы дистанционного управления и переговорные устройства); • для внешней звуковой и световой сигнализации (органы руч- ного управления свистками, программные устройства авто- матической подачи звуковых и световых сигналов, органы дистанционного управления электромегафонами, ключи про- блесковых ламп и лампы дневной сигнализации, коммутато- ры сигнально-отличительных фонарей и др.); • для внутренней связи и звуковой сигнализации (телефоны парной связи, коммутаторы служебной телефонной связи, те- лефоны судовой АТС, коммутаторы командной громкогово- рящей связи и трансляции, замыкатели авральной сигнализа- ции и др.); • для обеспечения живучести судна и для других ответствен- ных операций (закрытие водонепроницаемых и противопо- жарных дверей, пуск систем пожаротушения, управление якорным устройством, вентиляцией жилых и служебных по- мещений и трюмов, подруливающим устройством, активным рулем и т. д.); • для звуковой и световой сигнализации о неисправностях и исполнительной сигнализации о выполнении заданных ко- манд (обобщенная и индивидуальная сигнализация о неис- правностях ответственных механизмов, систем и устройств, Глава 34. Перспективы развития средств и методов навигации 503 сигнализация о достижении предельно допустимых значений отдельных параметров, например, температуры, давления, частоты вращения, глубин и т. п.); • для автоматизированного и автоматического управления суд- ном и для решения задач по расхождению и предупреждению столкновений судов. Интегрированная навигационная система должна объединять отдельные навигационные приборы и устройства для непрерывного контроля за навигационной обстановкой и обеспечения соответст- вующих сигнализаций. Интегрированные навигационные системы, в зависимости от объема выполняемых функций, подразделяются на три категории (А, Б, В): А — системы, обеспечивающие обработку и отображение информации о курсе, скорости и координатах судна, а также о теку- щем времени; Б — системы, обеспечивающие автоматическую обработку и отображение информации о курсе, скорости, текущих координатах судна, а также о глубине с формированием предупредительного сиг- нала об известных по запланированному маршруту и обнаруженных опасностях; В — системы, обеспечивающие, в дополнение к функциям категории Б, автоматическое управление судном по курсу, траекто- рии или скорости, и осуществляющие контроль за параметрами управления. Управление интегрированной навигационной системой должно осуществляться с единого пульта управления, включающего в себя органы управления системой, средства отображения информа- ции и сигнализации. Список литературы 1. Баранов Ю.К., Гаврюк М.И., Логиновский В.А., Песков Ю.А. Навигация. Учебник для вузов — 3-е издание, переработанное и до- полненное. — СПб.: Издательство "Лань", 1997. — 512 с. 2. Земляновский Д.К. Лоция внутренних водных путей. Учебное пособие для вузов. — М.: Транспорт, 1982. — 216 с. 3. Наставление по штурманской службе на судах Минречфлота РСФСР (НШС—86). — Л.: Транспорт. Ленинградское отделение, 1987. — 144 с. 4. Правила плавания по внутренним водным путям. — М.: Ркон- сульт, 2003. — 80 с. 5. Практическое кораблевождение / Под ред. А.П. Михайловско- го. Кн. 1. Л.: ГУНиО МО, 1988. — 896 с. 6. Рекомендации по организации штурманской службы на судах (РШС—89). — СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 1999. - 152 с. 7. Удачин B.C., Шереметьев Ю.Н. Навигационные знаки и огни, судовая сигнализация: Справочное пособие. — М.: Транспорт, 1988. — 255с. 8. Мореходные таблицы (МТ—2000). № 9011. — СПб.: ГУНиО МО РФ, 2002. — 576 с. |