Koncepcja jednoczesnego wykorzystania wielu stacji radiolokacyjnych do estymacji ech radarowych na potrzeby systemów VTS

Transkrypt

1 ŚWIERCZYŃSKI Sławomir 1 WĄŻ Mariusz 2 Koncepcja jednoczesnego wykorzystania wielu stacji radiolokacyjnych do estymacji ech radarowych na potrzeby systemów VTS WSTĘP Radar wykorzystuje się głównie do bezpiecznego prowadzenia jednostki. Bezpieczeństwo to nabiera dużego znaczenia szczególnie w rejonach przybrzeżnych i ścieśnionych a także w rejonach o dużym nasileniu ruchu i w pobliżu portów. Radar powszechnie wykorzystywany jest do wyznaczania pozycji, prowadzenia obserwacji, śledzenia ech i wykonywania manewrów zapobiegawczych. Obecnie obserwację radarową prowadzi się także z pozycji stacji brzegowych. W obszarach o dużym natężeniu ruchu powstały systemy wspomagające bezpieczeństwo żeglugi. Jednym z nich jest służba kontroli ruchu Vessel Traffic Service (VTS). System VTS to system nadzoru ruchu statków. System kontroluje ruch statków w obszarze gdzie występuje duże skupienie jednostek pływających, dla których mogą pojawić się niebezpieczeństwa nawigacyjne związane z kolizją, wejściem na mieliznę itp. W zakresie funkcjonowania systemu użytkownicy otrzymują usługi w postaci serwisu informacyjnego, asysty nawigacyjnej, organizacji ruchu. Praca systemu VTS opiera się głównie na podsystemie radarowym (sieć brzegowych stacji radarowych). W podsystemie tym obraz radarowy, w zależności od potrzeb, można otrzymywać z jednego lub kilku radarów jednocześnie. Dzięki zastosowaniu sieci teleinformatycznych, możliwa jest stała łączność pomiędzy elementami sieci stacji radarowych. W ten sposób tworzą one brzegowy system wymiany danych o sytuacji nawigacyjnej. Pozyskany obraz radarowy jest automatycznie nanoszony na mapę elektroniczną. W zależności od typu radaru i wykorzystanych jego funkcji, echo radiolokacyjne wyświetlane na ekranie radaru lub monitora, można opisać różnymi parametrami określającymi jego kształt (wielkość) oraz funkcjami opisującymi cechę (cechy niegeometryczne np. kolor). Przy jednoczesnym pozyskiwaniu informacji z kilku, nawet tych samych typów radarów, pracujących w takich samych ustawieniach, otrzymane echa od obiektów pływających mogą różnić się pod względem ww. cech i parametrów a także mogą posiadać inne współrzędne geograficzne. Problem jest jeszcze większy gdy chcemy w tym samym czasie wyświetlić zsumowany obraz z kilku stacji radarowych na jednym monitorze. W wielu przypadkach identyfikacja echa jest bardzo trudna. W artykule autorzy przedstawili sposób pozyskiwania obrazu radarowego na przykładzie systemu VTS i dokonali próby estymacji echa radarowego pochodzącego z kilku źródeł. 1 SIECI RADAROWE Żegluga jest jednym z najstarszych rodzajów transportu. Jej zaletą są przede wszystkim niskie koszty przewozu dużej ilości towarów na znaczne odległości. Duży wzrost liczby jednostek na morzu, spowodował budowę systemów odpowiedzialnych za wsparcie bezpieczeństwa żeglugi. Jednym z zadań tych systemów jest monitoring ruchu jednostek na akwenach wodnych, gdzie wykorzystuje się stacje radarowe. W wielu krajach powstały systemy, których zadaniem jest poprawa bezpieczeństwa żeglugi oraz przeciwdziałanie skażeniom środowiska morskiego. Taki system funkcjonuje też w Polsce. Krajowy System Bezpieczeństwa Morskiego (KSBM) jest w fazie rozbudowy i obejmie całe polskie wybrzeże. System ten pozwoli na monitoring i kontrolę ruchu jednostek poruszających się na polskich obszarach morskich. Podstawowymi urządzeniami w tym systemie, odpowiedzialnymi za monitoring ruchu statków będzie sieć stacji radiolokacyjnych. Stacje 1 Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia, ul. Śmidowicza 69, Tel: , , s.wierczynski@amw.gdynia.pl 2 Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia, ul. Śmidowicza 69, Tel: , , m.waz@amw.gdynia.pl 10156

2 będą elementem nowej infrastruktury systemu kontroli ruchu statków VTS, dzięki nim będzie można np. śledzić ruch statków na torach wodnych w Zalewie Szczecińskim i Zatoce Gdańskiej. Brzegowe stacje radarowe stanowią jedno z głównych źródeł informacji o jednostkach pływających. Przykładem radarowych stacji brzegowych w systemach VTS może być podsystem radarowy monitorujący ruch statków na Zatoce Gdańskiej tj. systemu VTS Zatoka Gdańska. Rozmieszczenie radarowych stacji brzegowych w oparciu o które system będzie otrzymywał informacje przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Lokalizacja stacji brzegowych pracujących dla VTS Zatoka Gdańska [Opracowanie Urząd Morski w Gdyni] Liczba radarów i ich rozmieszczenie powoduje, że pewne obszary znajdują się w zasięgu pracy kilku stacji brzegowych w efekcie czego możemy jednocześnie pozyskiwać informację z różnych źródeł o tej samej jednostce pływającej. Nawet przy tych samych typach radarów i takich samych ustawieniach, otrzymane echa od obiektów pływających mogą różnić się pod względem cech i parametrów a także mogą posiadać inne współrzędne geograficzne. Wynika to ułożenia przestrzennego radarów, ponieważ w tym samym czasie ta sama jednostka jest widziana przez radar pod innym kątem, więc dla każdego radaru będzie stanowiła inną powierzchnie odbicia fali elektromagnetycznej. System umożliwia zsumowanie obrazu radarowego z kilku stacji radarowych na jednym monitorze W wielu przypadkach identyfikacja echa jest bardzo trudna, ponieważ echo do tej samej jednostki znajduje się w innym położeniu. Posiadając informację z każdego radaru, można podjąć próbę estymacji tych ech i poszukania optymalnego zobrazowania płynącej jednostki. 2 POZYSKIWANIE OBRAZÓW RADAROWYCH Informacja z brzegowych stacji radarowych dostarczana jest do Centrum VTS. Na podstawie informacji otrzymanej ze stacji brzegowych, operator systemu podejmuje decyzje jaka informacja będzie wyświetlana na konsoli operatorskiej. Możliwość jednoczesnego pozyskania informacji z wszystkich radarów, nie jest jednoznaczne z wyświetlaniem jej jako zsumowany sygnał. System na podstawie algorytmu uśrednia informację z dostępnych źródeł i prezentuje na monitorze obraz płynącej jednostki. Algorytm na podstawie którego działa system, jest produktem firmy, która rozbudowuje system w ramach KSBM. Finalna wyświetlana pozycja jednostki będzie środkiem geometrycznym położenia wszystkich ech otrzymanych jednocześnie z działających źródeł. Podsystem radarowy stanowi część wielousługowa sieć transmisyjna IP/MPLS budowanej dla potrzeb Krajowego Systemu Bezpieczeństwa Morskiego (KSBM), która będzie miała możliwość świadczenia szerokiego zakresu usług IP/Ethernet ze szczególnym uwzględnieniem łączności pomiędzy stacjami radarowymi, stacjami meteo czy też głosowej dla Służb Ratownictwa Morskiego. Sieć ma realizować szereg usług IP/Ethernet w oparciu o technologię MPLS. W szczególności będą to usługi łączności pomiędzy urządzeniami końcowymi (sensorami różnego typu) i serwerami aplikacji przetwarzającymi 10157

3 dane. Jedną z usług będzie system transmisji zapewniający jednoczesny przesył danych od stacji brzegowych do lokalnych ośrodków nadzoru oraz do centrum VTS implementowana jako L2 VPN (VPLS). Jest to rozwiązanie wirtualnych sieci prywatnych (VPN), które realizowane jest w oparciu o sieć Multi-Protocol Label Switching MPLS. Usługi VPN dzięki wykorzystaniu sieci IP/MPLS pozwalającej świadczyć usługi VPLS (Virtual Private LAN Service) dla użytkowników, którzy potrzebują wysokiej jakości usługi transmisji danych łączącej poszczególne, geograficznie rozproszone lokalizacje w jedną sieć LAN. Istnieje techniczna możliwość jednoczesnego pozyskania obrazów radarowych z wszystkich dostępnych radarów. Wykorzystując sieć komputerową i specjalistyczne oprogramowanie można obserwować sytuacje radiolokacyjną z tego samego czasu z kilku radarów na jednym komputerze (monitorze). Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie oprogramowania NetOp firmy Xnet Communications. Zapewnia kompleksowe rozwiązanie do zarządzania zdalnymi komputerami, którymi mogą być konsole, podłączone do radarów pracujących w ramach KSBM. Techniczna realizacja zdalnej kontroli polega na wyświetlaniu na komputerze użytkownika ekranu monitorującego komputera, co pokazuje rysunek 2. Rys. 2. Konsola użytkownika z wizualizacją zdalnych komputerów Jak widać powyżej, przekazywanie obrazu radarowego z jednej stacji radiolokacyjnej do drugiej (do innego użytkownika) jest technicznie możliwe i powszechnie stosowane jest to w sieciach VTS a także w innych takich jak w systemie Punktów Obserwacji Wzrokowo-Technicznej i Łączności Marynarki Wojennej oraz w Zintegrowanym Systemie Radarowego Nadzoru będący na wyposażeniu Straży Granicznej. W ramach wcześniejszych prac badawczych autorów, również wykonano interfejsy sprzętowe i programowe do realizacji zadań związanych ze zdalną rejestracją, przetwarzaniem i transmisją obrazów radarowych z wielu wskaźników oraz ich fuzji i wizualizacji obrazu na jednym głównym wskaźniku integrującym obraz. W pracy [3] przedstawiono próbę zaprezentowania podwójnego zobrazowania radarowego na jednym wskaźniku komputera. Podstawą stanowiska badawczego była sieć przekaźnikowa obrazu radarowego typu serwer - klient. W systemie tym wykorzystano dwa konwertery video analogowo-cyfrowe IR2-BB. Pierwszy z nich służy do konwersji sygnału analogowego z radaru na postać cyfrową. Postać ta była wysyłana za pośrednictwem komputera i oprogramowania serwerowego w sieć LAN (i/lub WiFi) w postaci pakietów protokołu komunikacyjnego UDP (ang. User Datagram Protocol). Drugi konwerter służył do zamiany sygnału wytwarzanego przez symulator radarowy. Na stacji roboczej (klient) oba sygnały były przechwytywane i wyświetlane w czasie rzeczywistym przez komputer PC. Zainstalowane 10158

4 oprogramowania pozwoliło na przedstawienie obydwu obrazów (rzeczywistego i symulowanego komputerowo) na jednym monitorze komputera centralnego. Do realizacji podłączenia radar komputer wykorzystany został interfejs radarowy specjalizowanej karty komputerowej Maris PC Radar Kit oraz oprogramowanie służące do wstępnej obróbki i przechwytywania zobrazowania radarowego, zarówno pojedynczych obrazów jak i całych sekwencji video. Na stanowisku badawczym, do transmisji zobrazowania radarowego wykorzystano także sieć WiFi. W tej konfiguracji komputer z kartą Maris pełni rolę serwera i kontaktuje się z klientem poprzez router. Rys. 3. Serwer z kartą Maris - stanowisko badawcze na jednostce pływającej W celu sprawdzenia koncepcji transmisji radarowego obrazu wizyjnego poprzez sieć WiFi przeprowadzono badania w warunkach morskich. Na jednostce pływającej osadzono stanowisko badawcze (radar, serwer i router) wyposażone w specjalizowany interfejs radarowy Maris PC Radar Kit oraz odbiorniki (PC z oprogramowaniem) stanowiące swoiste wskaźniki radarowe element klient. Mobile stanowisko pomiarowe umożliwiło przeprowadzenie pomiarów. W pierwszej kolejności rejestracji obrazów radarowych w warunkach rzeczywistych, a następnie przesłanie go poprzez router do klientów siecią WiFi. Stanowisko pomiarowe jako serwer udostępnia nieograniczonej liczbie klientów radarowy obraz wizyjny wraz z sygnałem synchronizacji poprzez sieć WiFi. Rys. 4. Transmisja obrazu radarowego pomiędzy klientami z wykorzystaniem sieci WiFi Przedstawiona powyżej próba pozyskiwania zobrazowania radarowego jednocześnie z wielu wskaźników radarowych oraz transmisja zobrazowania z wykorzystaniem sieci WiFi wskazuje na możliwość wykorzystania ww. technologii do badań nad estymacją ech radarowych pochodzących od jednego obiektu ale obserwowanych przez wiele stacji radiolokacyjnych. Wykorzystując tą technologię można dokonać fuzji obrazów radarowych w czasie rzeczywistym

5 3 BADANIA W ZAKRESIE ESTYMACJI ECH RADAROWYCH Na potrzeby artykułu pozyskano obrazy radarowe z trzech stacji brzegowych. Pomiar był wykonany w tym samym czasie w związku z czym możemy potraktować obrazy jako jednoczesne. Poniżej kolejne rysunki przedstawiają pozyskany materiał badawczy. Z obrazów radarowych wyekstrahowano echa radarowe obiektu obserwowanego jednocześnie przez trzy radary brzegowe systemu VTS zainstalowane w Gdyni, Helu i w Gdańsku. a) b) c) Rys. 5. Jednoczesna rejestracja ech radarowych pojedynczego obiektu wykonana przez radary w Gdyni (a), w Helu (b) i w Gdańsku (c) Operator VTS oczekuje, że na zintegrowanym wskaźniku radarowym zostanie wizualizowane echo radarowe, które jest fuzją trzech pojedynczych ech pochodzących od obiektu obserwowanego jednocześnie przez trzy radary brzegowe. Echo powstałe w wyniku fuzji obrazów poniżej będziemy nazywać echem estymowanym. W przedstawionej poniżej koncepcji estymacji ech radarowych wykorzystano jako estymator wykorzystano średnią arytmetyczną pozycji poszczególnych pikseli ech 10160

6 radarowych pochodzących z dwóch różnych obrazów radarowych. Koncepcja jest prosta i gwarantuje otrzymanie estymowanego echa w czasie rzeczywistym. Poniżej na prostym przykładzie (rysunki od nr 6 do 8) przedstawiono proces estymacji dwóch prostych obrazów składających się z trzech punktów. Rys. 6. Wyznaczanie estymowanych wartości współrzędnych punktów obrazu 1 względem obrazu 2 Rys. 7. Wyznaczanie estymowanych wartości współrzędnych punktów obrazu 2 względem obrazu

7 Rys. 8. Estymacja obrazów 1 i 2 Poniższe rysunki przedstawiają wynik estymacji obrazów bardziej złożonych. Rysunek 9 przedstawia wynik estymacji dwóch prostych ech radarowych przedstawionych w postaci przecinających się odcinków (czarny i niebieski). Obraz powstały w wyniku estymacji przedstawiony jest kolorem czerwonym. Rys. 9. Estymacja odcinkowych ech radarowych W przypadku wystąpienia bardziej złożonych struktur ech radarowych sytuacja jest analogiczna co przedstawia poniższy rysunek

8 Rys. 10. Estymacja echa odcinkowego i kołowego Wyżej przedstawioną koncepcję estymacji ech radarowych zastosowano do rzeczywistych obrazów radarowych, na których wyekstrahowano echo pochodzące od tego samego obiektu lecz zarejestrowane przez trzy radary brzegowe. Wynik estymacji przedstawiają poniższe rysunki. Rys. 11. Wynik estymacji rzeczywistych ech radarowych obiektu zarejestrowanego przez radary brzegowe w Gdańsku, Gdyni oraz w Helu 10163

9 WNIOSKI Powyższe badania ograniczają się do wyznaczania estymowanego echa radarowego na podstawie dwóch niezależnych ech radarowych. Jako estymator współrzędnych pozycji poszczególnych pikseli ech radarowych wykorzystano średnią arytmetyczną. Należy mieć na uwadze, że pozycja ech radarowych a także ich kształt i wielkość zależą również od takich czynników jak odległość od anteny radarowej, oraz parametrów technicznych radaru i ogólnych warunków podczas prowadzenia obserwacji. Wpływa to na jakość zobrazowania i dokładność pozycji wizualizowanego echa radarowego. Wartości te mogą być oszacowane i powinny mieć wpływ na proces estymacji ech radarowych. W tym przypadku należy stosować inne estymatory ech radarowych, np. wykorzystując do tego celu średnią ważoną. Streszczenie System VTS to system nadzoru ruchu statków. System kontroluje ruch statków w obszarze gdzie występuje duże skupienie jednostek pływających, dla których mogą pojawić się niebezpieczeństwa nawigacyjne związane z kolizją, wejściem na mieliznę itp. W zakresie funkcjonowania systemu użytkownicy otrzymują usługi w postaci serwisu informacyjnego, asysty nawigacyjnej, organizacji ruchu. Praca systemu VTS opiera się głównie na podsystemie radarowym (sieć brzegowych stacji radarowych). W podsystemie tym obraz radarowy, w zależności od potrzeb, można otrzymywać z jednego lub kilku radarów jednocześnie. Jest on automatycznie nanoszony na mapę elektroniczną. W zależności od typu radaru i wykorzystanych jego funkcji, echo radiolokacyjne wyświetlane na ekranie radaru lub monitora, można opisać różnymi parametrami określającymi jego kształt (wielkość) oraz funkcjami opisującymi cechę (cechy niegeometryczne np. kolor). Przy jednoczesnym pozyskiwaniu informacji z kilku, nawet tych samych typów radarów, pracujących w takich samych ustawieniach, otrzymane echa od obiektów pływających mogą różnić się pod względem ww. cech i parametrów a także mogą posiadać inne współrzędne geograficzne. Problem jest jeszcze większy gdy chcemy w tym samym czasie wyświetlić zsumowany obraz z kilku stacji radarowych na jednym monitorze. W wielu przypadkach identyfikacja echa jest bardzo trudna. W artykule autorzy przedstawili sposób pozyskiwania obrazu radarowego na przykładzie systemu VTS i dokonali próby estymacji echa radarowego pochodzącego z kilku źródeł. The concept of simultaneous use of numerous coast radar stations for estimation of radar echoes in VTS system Abstract The VTS is a marine traffic monitoring system. The system controls the movement of vessels in the area where there is a high concentration of vessels which may be exposed to navigational dangers such as collision or grounding etc. The system provides its users with services such as information service, navigation assistance and traffic organization. The operation of the VTS system is mainly based on the radar subsystem (a network of coast radar stations). In this subsystem the radar image, depending on the needs, can be obtained from one or more radars simultaneously. It is automatically displayed on an electronic map. Depending on the type of radar and its functions (used), the radar echo displayed on the radar screen or monitor can be described by the use of different parameters determining its shape (size) and different functions describing its non-geometric features such as color. While simultaneously obtaining information from multiple radars, even of the same type and operating in the same settings, the echoes received from ships may differ in the features and parameters mentioned above and may have other geographic coordinates. The problem is even greater when we want to simultaneously display the combined radar images from several radar stations on a single monitor. In many cases, the identification of the echo is very difficult. In the article the authors have presented a method of obtaining the radar image on the example of the VTS system and have made attempts to estimate the radar echo from several sources. BIBLIOGRAFIA 1. Czaplewski K., Positioning With Interactive Navigational Structures Implementation, Annual of Navigation nr 7/2004, Monograph, Gdynia

10 2. Wąż M. Problems with Precise Matching Radar Image to the Nautical Chart, Annual of Navigation 16/2010, Gdynia Wąż M., Synchroniczna sieć radarowa, Zeszyty Naukowe AMW nr 186A, Gdynia Wiśniewski Z., Metody opracowania wyników pomiarów w nawigacji i hydrografii, Monografia, AMW, Gdynia Wiśniewski Z., Rachunek wyrównawczy w geodezji (z przykładami), UWM, Olsztyn