ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
имени адмирала С.О.Макарова
Ю.Г. Фирсов
МОРСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ В ГИДРОГРАФИИ
Введение в морские информационные технологий.
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2005 г.
Конспект лекций «Морские электронные информационные системы в гидрографии», часть 1- «Введение в морские геоинформационные технологий.» разработано кандидатом технических наук, доцентом Фирсовым Ю.Г. на основе лекций, читаемых для курсантов старших курсов на Арктическом факультете ГМА имени адм. С. О. Макарова.
Конспект лекций может быть использован курсантами и студентами заочного факультета гидрографической специальности, а также инженерами гидрографами, желающими самостоятельно освоить современные морские геоинформационные технологии.
Ведение.
Современные морские электронные информационные системы (МИС) представляют собой аппаратно-программные комплексы, предназначенные для автоматизированного или автоматического решения широкого класса задач, вязанных с управлением технологичес-
кими процессами в морской навигации и гидрографии.
В зависимости от целевого предназачения современные МИС можно подразделить
На следующие классы:
МЭИС транспортных и пассажирских судов общего назначения,
МЭИС специализированных гражданских судов,
МЭИС кораблей ВМФ,
МЭИС научно-исследовательских судов (включая гидрографические).
Данное подразделение в достаточной степени условно, ввиду того что конкретные
Функции МЭИС во многом зависят от состава программного обеспечения.
Мы в основном будем рассматривать МЭИС транспортных и научно-исследовательских судов в первую очередь гидрографических.
Любая МЭИС включает следующие компоненты:
датчики навигационной информации,
средства вычислительной техники,
приемники навигационной информации.
Современные МЭИС прошли период своего становления в последние 25-30 лет ХХ века.
Становление МИС было теснейшим образом связано с успехами в развитии радио-электроники. Именно появление в последнем десятилетие ХХ века достаточно надежных и
Мощных средств вычислительной техники явилось основной предпосылкой по настоящему
Широкого внедрения МЭИС на морском флоте.
Основние этапы технического прогресса в судовождение.
Этап 1. Впервые вековая мечтна моряков о надежном и точном всепогодном способе определения места своего судна в море стала реальностью летом 1944 года, когда корабли союзников ненастной июньской ночью скрытно высадили десант на побережье Нормандии, используя первую в истории мореплавания радионавигационную систему (РНС). Вторая мировая война явилась стимулом бурного развития технических средств судовождения. В первую очередь это связано с широким применением радиолокационных станций (РЛС) на боевых кораблях. Можно с уверенностью сказать, что именно РЛС обеспечили победу союзников на море во второй мировой войне.
Широкое послевоенное внедрение РЛС в гражданской сфере во всем мире явилось первым
этапом революции в технологии как морской так и воздушной навигации.
Этап 2. Первые опыты в области автоматизации судовождения были связаны главным образом в с обеспечением решения расчетных навигационых задач в первую очередь астрономических, а также задач преобразованием гиперболических координат РНС в географические. Для этих целей на судах в 70-80 годах устаналивались специализорованые и универсальные электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Их использование позволяло отказаться от утомительных ручных вычислений координат и тем самым освобождало время штурмана для решения его главной задачи – обеспечения безопасности.
Этап 3. В последние два десятиления ХХ века произошла очередная революция в технологии
Навигации. Вплоть до конца 80-х годов РНС «Deccca», »Loran-C», «Omega», «Марс-75», «РСДН-3» и ряд других активно использовались как моряками, так и авиаторами наряду со спутниковой радионавигационной системой (СРНС) первого покаления, аппаратура которой некоторое время еще оставалась недоступной для большинства гражданских потребителей. Бортовая аппаратура СРНС уже не могла обходится без ЭВМ. Первые гражданские спутниковые приемники, сопряженные с универсальными мини-ЭВМ были дороги и ненадежны. Вместе с тем они сразу нашли применение на специальных и научно-исследовательских судах как у нас, так и зарубежом. Наряду с решением задачи дискретного определения местоположения, такие системы обеспечивали также расчет некоторых штурманских задач.
Революционным шагом в технологии наигации явилось широкое внедрение на судах
И самолетах микропроцессорной спутниковой навигационной аппаратуры, пришедшийся на
Начало 80-х годов. Благодаря стремительному развитию радиоэлетроники удалось создать
Весьма портативную и надежную бортовую спутниковую навигационную аппаратуру, которая по стоимости, высоким эксплуатационным характеристикам и доступности приобре-
тения получила чрезвычайно широкое применение на судах самого разного класса.
Этап 4. Выполнив свою миссию СРНС «Транзит» в начале 90-х годов уступил место новой
СРНС «НАВСТАР» (GPS). Благодаря практичесой непрервности обсерваций, высокой точности, малогабаритности и высокой надежности в сочетании с сравнительно низкой стимости приемники-вычислители GPS в течение коротеого времени стали основным навига
Ционным инструментом практически каждого морского и воздушного судна. В настоящее время подобная аппаратура перестает быть «экзотикой» и на автомобильном транспорте.
Для повышения надежности определений приемники GPS часто комплексируют с приемниками отчественной СРНС «Глонасс». Для многих отечественных применений это является обязательным.
Парадоксальным является тот факт, что широкое внедрение технологии GPS/Глонасс
Навигации по времени совпал с появлением и интенсивным развитием вычислительной техники нового класса –персональных ЭВМ. Первые ПЭВМ, появившиеся в нашей стране в
Конце 80-х годов и имевшие по современым понятиям весьма скромные технические харак-
теристики, в буквальном смысле слова произвели революцию в сфере автоматизации самой
разнообразной деятельности, в том числе и в сфере автоматизации морской навигации.
Наиболее радикальное отличия от предшествовавших систем автоматизации, выдававших навигационную информацию в цифровой виде, заключалось в том, что ПЭВМ оборудован-ные вначале монохромными, а затем и цветными мониторами впервые обеспечили возмож-
Ность наряду с цифрами отображать графическую информацию, наиболее наглядную и удобную для восприятия человеком и в первую очередь для решения транспортных задач. Тем самым было положено начало качественно нового этапа технологической революции в области навигации.
В этот же период наряду с ПЭВМ и GPS-технологиями интенсивно развивались и
Другие навигационные инструменты. Качественно улучшилась радиолокация, стандартом стала цифровая обработка радилокационного сигнала. Наряду с такими традиционными приборами, как магнитный и гирокомпас, лаг, эхолот, Международная Конвенция SOLAS
(Safety Of Life At Sea) вводит принципиально новую систему автоматической классификации
судна (AIS)[Automatic Identification System]; « черный ящик »(VDR) [Voyage Data Recorder], системы управле-ния судном по заданной траектории, системы экстренной связи GMDSS и, наконец электронную картографическую информационную систему ECDIS (Electronic Chart Display and Information System).
Бурное развитие электроники, вычислительной техники и связи, с одной стороны, и настоятельная необходимость в повышение безопасности судоходства, защите жизни людей, дорогостоящих грузов с одновременными требованиями охраны окружающей среды, в условиях тенденций сокращения численности экипажей с другой стороны стимулирует создание и внедрений промышленной технологии навигации и гидрографии ХХI века.
Этап 5. В настоящее время мы являемся свидетелями начала пятого этапа технологической
революции в области навигации. Характерной особенностью данного этапа является высокий уровень организационного обеспечения современных высоких технологий судовождения.
Требования к технологическому уровню навигации в море регилируются международ-ными документами, выпускаемыми IMO (International Maritime Organisation), а также национальными правилами, издаваемыми Морской администрацией флага. Основные техни-
ческие средства наигации должны быть сертифицированы на основании эксплуатационных
стандартов, принятых IMO и технических стандартов разработанных Международной электротехнической комиссией (IEC [International Electrotechnical Commission](?)). Контроль
за соблюдением междунарожных и национальных правил, включая комплектацию судов, осуществляется морскими администрациями портов.
Международная организационная и законодательная поддердка является исключительно важным элементом современной технологии навигации, цель которой предельно четко отражена в названии ее основополагающего документа –Конвенции SOLAS (Safety Of Life At Sea).
Отличительной особенностью современного этапа развития навигационных техноло-гий является появление на судах качественно нового средства автоматизации судовождения-
Морской информационной систем ядром которой является электронная картографическая система (ECS). Помимо отображения электронной карты на экране монитора такая система
Ведет непрерывную прокладку места судна, автоматически контролирует исполнение задан
Ного маршрута, оторбажает радиолокационные цели, пригрывает маневр, выдает команды управления на авторулевой для движения по заранее проложенному и автоматически прове-ряемому маршруту.
Ряд промышленных фирм к настоящему времени освоили производство и поставляют
На мировой рынок электронные картографические системы различного уровня сложности.
Среди российских коммерческих компаний можно выделить ТРАНЗАС (TRANSAS),
C-MAP, Моринтех (MORINTECH).
На рисунке предствалена ЭКС NAVI-SAILOR компании ТРАНЗАС, предназначенная для транспортных судов. Функциональные возможности системы включают автоматическое выполнение следующих функций:
планирование маршрута на ЭК,
ведение судового журнала,
выбор карт из каталога,
выдача навигационных предупреждений,
измерения на карте с помощью электронной линейки,
создание твердой копии (распечатка экрана монитора- карты),
ввод данных о дрейфе, течение и температуре,
воспроизведение записанной навигационной ситуации,
использование информации из базы данных по приливам и течениям,
получение информации по портам,
корректура коллекции карт,
редактирование навигационных карт,
использование функций встроенного радара (совмещение РЛС данных с ЭК),
В системе NAVI-SAILOR могут быть использованы ЭК формата DX-90, Transas TX97
(векторные карты), растровые карты Британского Адмиралтейства (ARCS), а также
карты Гидографических служб США и Канады (NDI/BSB). Компания ТРАНЗАС обладает в настоящее время одной из самых крупных коллекций электронных навигаци-онных карт (около 7000 карт).
Ближайшим конкурентом компании ТРАНЗАС является компания С-МАР, специали-
зирующаяся на разработке программного обеспечения для создания электронных карт.
Комплект электронных навигационных карт компании С-МАР в настоящее время включает более 20000 карт. ЭК компании С-МАР выпускаются в фомате СМ-93\3.
Фирма Моринтех (морские информационные технологии) создана в Санкт-Петербурге в 1988 году. Основными направлениями деятельности ООО Моринтех является разработка программного обеспечения в области навигации, гидрографии и морской картографии.
В основе развития программных продуктов ООО Моринтех лежит единая концепция - dKart (дКарт), предназначенная для создания приложений, использующих электронные карты. К их числу относятся:
· dKart Office - система производства бумажных и электронных карт, навигационных книг, пособий и извещений мореплавателям;
· dKart Inspector - программа тестирования электронных карт и наборов обмена стандартов S-57 edition 3 (3.1) и DX90;
· dKart Navigator - навигационные электронно-картографические системы (ECS/ECDIS), предназначенные для использования на судах всех типов и назначений;
· dKart Explorer - морские геоинформационные системы;
· dKart Catalogue - система распространения Извещений Мореплавателям, содержащая также электронный каталог карт и книг.
Моринтех активно сотрудничает с национальными Гидрографическими Службами в области издания официальных электронных морских навигационных карт международного стандарта S57 edition 3. Взяв за основу систему dKart Base Line (предшественник dKart Office), Главное Управление Навигации и Океанографии МО России оцифровало более 2100 адмиралтейских номеров, что на сегодняшний день является наивысшим показателем в Мире. Большое внимание уделяется вопросам качества производимой картографической продукции. Так, система dKart Inspector является фактическим международным стандартом качества данных и широко используется Гидрографическими Службами и фирмами различных государств - Англии, Италии, Германии, Канады, России и др.
Значительный опыт накоплен в области разработки, установки и обслуживания на судах навигационных электронно-картографических систем. Системы dKart Navigator удовлетворяют принятым для ECDIS стандартам Международной Морской Организации и ориентированы на официальные данные, издаваемые государственными Гидрографическими Службами. Вместе с тем предусмотрено использование мировой коллекции электронных карт фирмы С-МАР, что обеспечивает работоспособность систем в любом районе Мирового океана.
Основным направлением деятельности компании Моринтех является создание и внедрение современных технологий связанных со сбором, обработкой и использованием навигационно-гидрографической информации. Технологические средства, объединенные единой торговой маркой dKart, предлагают решение для следующих задач:
· проведение гидрографической съемки
· картпроизводство (традиционные бумажные и электронные карты и публикации)
· судовые навигационные системы с электронной картой
· информационные системы с электронной картой
Основой для составления любой морской карты являются данные гидрографической съемки. Компания Моринтех предлагает комплекс программ dKart Hydrographer, обеспечивающий планирование съемки, сбор данных в реальном масштабе времени и обработку полученной информации. Основной особенностью предлагаемой технологии является использование электронных карт на всех этапах выполнения работ, при этом программа также обеспечивает и представление материалов в традиционной бумажной форме.
dKart Hydrographer полностью совместим с технологией составления бумажных и электронных карт - dKart OFFICE. Иными словами, полученные в ходе выполнения гидрографической съемки данные могут быть непосредственно использованы в картпроизводстве. Как показывает практика, такой подход позволяет значительно сократить временной интервал от момента завершения съемки до момента публикации карты в бумажном или электронном виде. В некоторых случаях электронная карта в международном стандарте обмена S-57 edition 3 выпускается спустя всего несколько часов после окончания промера.
Необходимыми техническими средствами для проведения гидрографической съемки с использованием dKart Hydrographer являются:
· персональный компьютер, как правило NoteBook;
· приемоиндикатор GPS;
· эхолот с цифровым выходом;
· принтер (если необходимо получить твердую копию планшета).
Проведение съемки осуществляется в три этапа - планирование, сбор данных и обработка собранной информации. На этапе планирования оператор осуществляет построение промерных галсов на электронной карте. Далее в процессе сбора информации данные поступающие в программу от эхолота и GPS автоматически регистрируются на жестком диске. На этапе обработки информации осуществляется отбраковка промахов, учет поправок, построение модели рельефа и изобат. На заключительном этапе проводится построение электронной карты и вывод отчетного планшета на принтер.
Часть 1. Электронные картографические системы (ecs).
Для того, чтобы понять текущее состояние развития электронных катрографических
Систем целесообразно рассмотреть международные правила и требования регулирующие
Их создание и использование.
Прежде всего рассмотрим разницу между ECS и ECDIS. Как уже упомяналось ранее
Аббревиатура ECDIS расшифровывается:Электронная картографическая и информацион-
ная система, в то время как ECS – это «электронная картографическая система». Разница между подобными системами не только чисто терминологическая, а носит в основном юридический характер.
В самом общем виде ECDIS состоит из базы данных электронных карт вместе с электронными компонентами (hardware) и программным обеспеччением (software), необхо-
Димым для совместного отображения электронной карты и положения с судна (как правило от GPS/DGPS),а также выполнения навигационных функций, таких как прокладка маршрута, контроль следования по заданному маршруту, измерение расстояний на карте и т.д. Одним из важнейших свойств ECDIS, делающих ее уникальным средством для навигации является наличие в ней элементов искуственного интелекта - ее способность генерировать тревоги и предупреждения (например о возможной посадки на мель, выходе в запретный район, опасном уклонение от маршрута и.т.д.). Такая тревожная сигнализация основывается на программном анализе картографической информации из базы данных и информации, посту-пающей от сопряженных навигационных датчиков. Таким образом, ECDIS – это имеено то, что надо морякам для автоматизации их деятельности – обеспечения безопасной навигации судов на любых даже очень стесненных акваториях. Это основное и главное средство морской навигации
Вместе с тем, для того чтобы обозначаться как ECDIS электронная картографическая
Система (ECS) должна удовлетворять определенным международным стандартам и прави-лам, среди которых наиболее важными и существенными являются требования IHO и IMO
Любая ECDIS не удовлетворяющая этим правилам с юридической точки зрения на может
Рассматриваться как основное средство морской навигации, а только как вспомогательное
Средство и в этом случае оно получает наименование: ECS.
Рассмотрим далее на чем основываются требования предъявляется междунородным морским сообществом к ECDIS. В первую очередь это стандарты IHO, резолюции IMO и стандарты IEC.
Стандарт на электронные карты Международной Гидрографической органиации
(специальная публикация S-57 – редакция 3).
В данной публикации излагается требования к распространению гидрографических данных
Впервые опубликованый в 1996 году, данный стандарт детально описывает структуру и форматы данных, которые должны использовать гидрографические организации (агенства) при обмене электронными навигационными картами (Electronic Navigational Chart - ENC),
Которые официально выпущены ими на акватории, входящие в зону их ответственности.
Обмен данными включает: обмен между самими гидрографическими организациями, между
Гидрографическими организациями и коммерческими организациями – разработчиками ECDIS, а также всеми други пользователями. Иными словами – это стандарт на электронную
Карту, которая может быть использована в одобренной к применению ECDIS.
Здесь необходимо особо отметить что ENC, созданная национальной гидрографической организацией, не может быть напрямую использована в ECDIS. Файлы электронной навига-
Ционной карты должны пройти процесс компиляции и включения в определенную базу дан-
Ных, известную под англоязычной абревиатурой: SENC(System Electronic Navigational Chart)
База данных SENC может быть сгерерирована из отдельных ENC как на берегу с использованием специального програмного обеспечения, так и в море с использованием средств самой ECDIS. Предпочтительно,чтобы процесс генерации SENC проходил на берегу
С использованием специализированных программных средств и квалифицированного персонала. Опыт показывает, что разные гидрографические организации своеобразно пони-
Мают требования стандарта S-57/3. Это сказывается на качестве поставляемых ими элект-ронных навигационных карт, что может привести к нарушению надежной работы ECDIS.
Второй стандарт на электронные навигационные карты выпущен Международной
Гидрогафической организацией в виде специальной публикации S-52 (IHO special Publication S-52). В этом документе детально регламентируются требования в изданию карт,
Корректуре и обновлению карт, а также процессу отображения и символам, изображаемым на карте (внешний вид условных символов, их цвета, варианты представления и.т.д.)
Кроме требований Международной Гидрографической Организации имеются еще и
Требования Международной Морской организации, содержащиеся в резолюции А/817 IMO.
(IMO resolution A/817, IMO Performance Standards for ECDIS).
Данная резолючия содержит минимальные требования , относящиеся к функционированию ECDIS, касающиеся как электронных компонентов, так и программного обеспечения. Здесь же регламенируются требования к корректуры электронных карт, а также интерфейсу пользователя, вззаимодействию с навигационными датчиками, радиолокационной станцией
И другим судовым оборудованием.
Требования к испытаниям электронных картографических систем, претендующих на
Звание ECDIS, излагаются в стандарте 61174 Международной Электротехнической Комиссии (IEC International standard 61174). Этот документ регламентирует требования к испытаниям электронных компонентов и программного обеспечения, которых должны придерживаться официальные организации, уполномоченные для проведения подобных тестов BSH (Германия), DNV ( Норвегия ).
В настоящее время ( май 2001 года) в мире существует весьма ограниченное число
Электронных картографических систем, получивших статус ECDIS. Это системы, выпуска-
Емые следующие фирмами: STN Atlas (Германия), Transas (Россия), Kelvin Hughes,Litton Marine, Navintra( Италия) и др.