FORUM NAWIGACJI GDYNIA. Numer 5 Zima 2010 ISSN

Transkrypt

1 77 FORUM NAWIGACJI Numer 5 Zima 2010 ISSN GDYNIA

2 Komitet Programowy Andrzej Banachowicz Krzysztof Czaplewski Daniel Duda Andrzej Felski Wiesław Galor Marek Grzegorzewski Lucjan Gucma Jacek Januszewski Zdzisław Kopacz Artur Makar Wacław Morgaś Cezary Specht Andrzej Stateczny Adam Weintrit Redakcja Dariusz Szulc Katarzyna Śliwińska Adres redakcji: Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej Akademia Marynarki Wojennej ul. Śmidowicza Gdynia Forum nawigacji d.szulc@amw.gdynia.pl tel k.sliwinska@amw.gdynia.pl tel Czasopismo wydawane przez Polskie Forum Nawigacyjne 2

3 SPIS TREŚCI WOJCIECH KURYŁO 5 SYSTEMY TELEDETEKCJI POJAZDU PODWODNEGO BUDOWANEGO NA BAZIE TORPEDY SET 53 CZ. 2 MONTAŻ WYBRANYCH SYSTEMÓW JAROSŁAW MIKULSKI 13 MODELOWANIE 3D DANYCH BATYMETRYCZNYCH Z UŻYCIEM APLIKACJI GLOBAL MAPPER ANDRZEJ FELSKI 31 CHARAKTER BŁĘDÓW INERCJALNEGO SYSTEMU NAWIGACYJNEGO TYPU KARDANOWEGO ANDRZEJ FELSKI, KRZYSZTOF JASKÓLSKI 43 THE INTEGRITY OF THE NAVIGATION INFORMATION RECEIVED BY MEANS OF AIS ALEKSANDER NOWAK, DARIUSZ SZULC 53 MONITOROWANIE MAŁYCH, SZYBKO PORUSZAJĄCYCH SIĘ OBIEKTÓW STATYCZNE I DYNAMICZNE POMIARY ZASIĘGU PRACY RADIOMODEMÓW DARIUSZ SZULC 63 ANALIZA OBRAZÓW SONAROWYCH DLA ZAPEWNIENIA BEZPIECZNEGO POSTOJU STATKU W PORCIE KAROLINA CHORZEWSKA 71 IMPROWIZOWANE ŁADUNKI WYBUCHOWE JAKO ZAGROŻENIE DLA JEDNOSTEK W PORTACH MORSKICH. 3

4 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A

5 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A 2010 Wojciech Kuryło Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy SET 53 Cz. 2 Montaż wybranych systemów Poniższy artykuł przedstawia koncepcje zmian konstrukcyjnych głowicy torpedy SET-53 wraz z rozmieszczeniem wybranych systemów teledetekcji. WPROWADZENIE Bezzałogowe pojazdy podwodne (UUV Unmanned Undersea Vehicles) są powszechnie wykorzystywane na świecie do szeregu zadań podwodnych, w tym również do prowadzenia rekonesansu akwenu morskiego. Pojazdy takie w zależności od konstrukcji dzielą się na autonomiczne pojazdy podwodne (AUV Autonomus Underwater Vehicle) oraz zdalnie sterowane pojazdy podwodne (ROV Remote Operated Vehicle). W ramach artykułu opisane zostaną wybrane systemy detekcji oraz projekt nowej głowicy torpedy SET 53 wraz z rozmieszczeniem wybranych systemów detekcji w sposób graficzny, za pomocą programu Autodesk Inventor Professional Możliwość skonstruowania tego typu pojazdu podwodnego dostrzeżona została w innych państwach. Pojazdy podwodne na bazie torped są konstruowane i eksploatowane m.in. w amerykańskiej, niemieckiej i szwedzkiej marynarce wojennej. Adaptacje torped na bezzałogowe pojazdy podwodne znalazły swe zastosowanie głównie ze względów ekonomicznych. ROZMIESZCZENIA SYSTEMÓW OBSERWACJI PODWODNEJ W NOWO BUDOWANYM POJEŹDZIE PODWODNYM Poniżej przedstawione zostały zmiany konstrukcyjne głowicy torpedy SET-53 wraz z rozmieszczeniem systemów teledetekcji. 5

6 Wojciech Kuryło Podczas wyboru miejsca zamontowania brano pod uwagę przeznaczenie, sektor obserwacji oraz częstotliwość pracy urządzeń, mając na celu zapewnienie niezakłóconej pracy sąsiednich systemów. KAMERA WIZYJNA Rys. 1. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z kamerą oe14-112/113 Ze względu na 360 stopniowy sektor obserwacji kamery zdecydowano się na jej zamontowanie poniżej szczytu głowicy pod kątem 20 w stosunku do płaszczyzny diametralnej torpedy. Zamontowanie takie umożliwia pełne wykorzystanie sektora obserwacji kamery podczas wykonywania prac podwodnych. Dodatkowo umieszczenie jej w płaszczyźnie symetrii zapewni równomierne rozmieszczenie ciężaru w głowicy, co wpływa pozytywnie na sterowność pojazdu. ECHOSONDA Rys. 2. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z echosondą TriTech Seaking Parametric Sub Bottom Profiler Celem zastosowania echosondy w autonomicznym pojeździe podwodnym jest określenie tendencji zmian głębokości podczas przejścia zadaną trasą. Reali- 6

7 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy SET 53 zacja wyżej wymienionego celu może odbywać się jedynie poprzez zamontowanie echosondy w dolnej części głowicy torpedy SET 53. Dodatkowo umieszczenie jej w płaszczyźnie symetrii zapewni równomierne rozmieszczenie ciężaru w głowicy, co wpływa pozytywnie na sterowność pojazdu. SONAR BOCZNY Rys. 3. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z przetwornikiem holowanego sonaru bocznego 4200 Multi-Purpose Survey Zdecydowano się na zamontowanie przetworników sonaru bocznego po dwóch stronach w dolnej części głowicy torpedy. W celu zapewnienia odpowiedniej sterowności i stateczności pojazdu, przetworniki zamontowane zostały symetrycznie do płaszczyzny przekroju poprzecznego głowicy. Rozwiązanie takie zapewnia prawidłową pracę sonaru oraz stosunkowe duże pokrycie dna morskiego. Oddalenie przetworników od siebie ku górze skutkowałoby zbyt szerokim polem martwym, co mogłoby wpłynąć negatywnie na zdolności wykrywania i identyfikacji obiektów morskich. SONAR CZOŁOWY Rys. 4. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z sonarem czołowym Tritech Super SeaKing DST Przeznaczenie sonaru czołowego wykrywanie przeszkód nawigacyjnych znajdujących się na trasie przejścia pojazdu, determinuje zamontowanie go na 7

8 Wojciech Kuryło szczycie głowicy. Konstrukcja taka zapewni niezakłóconą przez inne urządzenia pracujące na podobnej częstotliwości pracę sonaru oraz gwarantuje pełny sektor obserwacji, nieograniczony elementami konstrukcyjnymi pojazdu. Ze względu na występujący wewnątrz torpedy stelaż montażowy, zdecydowano się na powyższe rozwiązanie, przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości głowicy torpedy, a także wykorzystanie pełnych możliwości badawczych sonaru czołowego. SONDA STD/CTD Rys. 5. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z sondą STD/CTD SD 204 SAIV Sonda CTD/STD jest to urządzenie które powinno być opuszczone do badanego akwenu w celu określanie zasolenia, temperatury i głębokości ponieważ niezbędna jej jest styczność ze środowiskiem morskim. Ze względu na otwory na zewnętrznej powierzchni głowicy, zapewniony został odpowiedni przepływ wody, który umożliwia prawidłową prace sondy CTD. Sonda zainstalowana zostanie w górnej części torpedy, pod otworami. 8

9 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy SET 53 ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILER Rys. 6. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z Mini-ADP Acoustic Doppler Profiler Przeznaczeniem urządzenia jest określenie prędkości prądów w badanym akwenie. Zdecydowano się na zamontowanie urządzenia w dolnej części głowicy torpedy, gdzie częstotliwość pracy nie spowoduje zakłóceń pracy przetworników sonaru bocznego oraz echosondy. Dodatkowo zamontowanie urządzenia w płaszczyźnie symetrii przekroju poprzecznego eliminuje problemy związane ze statecznością i sterownością pojazdu podwodnego. PODSUMOWANIE Odpowiedni dobór urządzeń, którego jednym z głównych kryteriów był rozmiar, umożliwił ich zamontowanie bez problemów związanych z brakiem miejsca, co mogłoby skutkować ich niewłaściwym rozmieszczeniem, a dalej niewykorzystaniem ich technicznych możliwości podczas wykonywania zadań stawianych przed autonomicznymi pojazdami podwodnymi. Poniżej zestawiono wszystkie systemy przeznaczone do zamontowania w ramach zmian konstrukcyjnych głowicy torpedy SET-53. 9

10 Wojciech Kuryło Rys. 7. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 po zmianach konstrukcyjnych Podczas rozmieszczania podsystemów detekcji brano pod uwagę głównie ich przeznaczenie. Zapewni to skuteczną realizację założonych teoretycznie celów stawianych przed pojazdem podwodnym. Innym kryterium takiego rozmieszczenia była masa urządzeń, oraz częstotliwość pracy. Nieodpowiedni wybór miejsca mógłby w takim przypadku nie tylko spowodować problemy związane ze statecznością i sterownością ale także zakłócać pracę urządzeń pracujących na tej samej częstotliwości. Taki sposób zamontowania urządzeń jest koncepcją własną. Ilość miejsca w głowicy w stosunku do rozmiaru urządzeń umożliwia jej zmianę. 10

11 Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy SET 53 LITERATURA [1] [ONLINE] [ZACYTOWANO: LISTOPAD 2010.] 311C86AF9C A730?OPENDOCUMENT. [2] [ONLINE] [ZACYTOWANO: LISTOPAD 2010.] [3] [ONLINE] [ZACYTOWANO: LISTOPAD 2010.] [4] [ONLINE] [ZACYTOWANO: LISTOPAD 2010.] SONAR-SYSTEM. [5] [ONLINE] [ZACYTOWANO: LISTOPAD 2010.] ADCP.PHP. [6] GRZĄDZIEL, ARTUR. PRACA STUDYJNA. MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA HYDROGRAFICZNEGO SONARU BOCZNEGO DO REALIZACJI ZADAŃ OBRONY PRZECIWMINOWEJ. GDYNIA : AMW, [7] OPERATING MANUAL FOR STD/CTD MODEL SD204 WITH SOUND VELOCITY & OPTIONAL. Detection system designed for underwater vehicle based on torpedoes SET 53 Part 2 A concept of structural changes in head of torpedoes SET 53 is presented in the paper both with the location of the selected devices. Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Felski 11

12 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A

13 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A Jarosław Mikulski Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper W artykule przedstawiono ocenę wiarygodności modelu przestrzennego dna morskiego uzyskanego za pomocą aplikacji Global Mapper funkcji ilości danych batymetrycznych. WPROWADZENIE Badanie rzeźby dna morskiego to jeden z rodzajów współcześnie wykonywanych prac hydrograficznych. Chęć poznania ukształtowania powierzchni i głębokości dna wynika głównie z potrzeb prowadzenia bezpiecznej nawigacji. Obecnie podczas prowadzenia statku na morzu najczęściej wykorzystywane są morskie, cyfrowe mapy nawigacyjne, które dają nawigatorowi o wiele więcej możliwości od map analogowych. Jednak sposób przedstawienia informacji dotyczących głębokości akwenu na mapach cyfrowych ciągle podobny jest do tego stosowanego w tradycyjnych mapach papierowych w postaci zbioru izobat. W celu lepszej interpretacji informacji batymetrycznych tworzy się trójwymiarowe modele dna. Taki sposób wizualizacji dna morskiego może stać się przyszłością systemu ECDIS. Jednak, jednym z warunków, które muszą zostać spełnione jest szczegółowe badanie rzeźby dna. Takie badania niezbędne są również podczas projektowania podwodnych konstrukcji hydrotechnicznych, czy przy prowadzeniu kabli podwodnych. Pomiary batymetryczne najczęściej polegają na tym, że statek płynąc po wcześniej ustalonym profilu (linii) rejestruje wartości głębokości, zazwyczaj przy użyciu echosondy wielowiązkowej zintegrowanej z GPS. Profile wykonywane są przeważnie obok siebie. Ich wzajemna odległość oraz odległość pomiędzy punktami pomiarów głębokości na profilu w głównej mierze wpływa na szczegółowość pozyskanych danych batymetrycznych [2]. Taki sposób badania głębokości nie jest pozbawiony wad. Może bowiem dochodzić do pozostawiania całkowicie niezbadanej przestrzeni pomiędzy profilami. Chcąc natomiast osiągnąć większą szczegółowość wykonywanego sondażu, należy liczyć się ze wzrostem kosztów i czasu [2]. Zatem powstaje pytanie: jaka powinna być odległość pomiędzy punktami pomiarów głębokości na profilu, aby na podstawie zebranej ilości danych stworzyć wiarygodny model dna? 13

14 Jarosław Mikulski W artykule przedstawiono proces algorytmu testowania aplikacji Global Mapper, przeprowadzono modelowanie dna morskiego oraz dokonano analizy otrzymanych wyników. OPIS MODELOWANEGO DNA MORSKIEGO Testowanym obszarem jest prostokątny fragment dna morskiego, którego sondażu dokonano za pomocą echosondy wielowiązkowej. Powierzchnia obszaru wynosi m 2, a jego boki mierzą długość odpowiednio 790 m i 1030 m. Akwen opisano siatką współrzędnych x, y, z o gęstości danych 10 m 10 m, gdzie x i y są bokami akwenu, a z odpowiada jego głębokości. Tak prezentuje się obraz testowanego dna, który został wykonany w programie Surfer w oparciu o prawdziwe dane otrzymane z echosondy: Rys. 1. Model 3D testowanego dna morskiego Jak widać na rysunku dno rozciąga się wzdłuż osi Y - z głębi morza w stronę brzegu. Ciemnoniebieski kolor oznacza płyciznę o średniej głębokości 0,5 m. Tuż za przybrzeżną płycizną obserwuje się stromy spad dna. Dalej, w głąb morza pojawiają się na przemian wzniosłości i nachylenia dna. Rzeźba dna jest dość znacznie zróżnicowana pod względem danych batymetrycznych. Minimalna głębokość to 0,2 m, a maksymalna wynosi 25,7 m. Natomiast średnia 14

15 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper głębokość akwenu wynosi w przybliżeniu 12,4 m. Duże i nierównomierne ukształtowanie dna jest kluczem do prawidłowego zbadania wiarygodności aplikacji. Badając takie dno akwenu, sprawdza się, czy uzyskany model przestrzenny dna jest wiarygodny, niezależnie od zróżnicowania jego rzeźby. Global Mapper wykonując obliczenia dla samych łagodnych profili dna miałby ułatwione zadanie podczas procesu interpolacji. Ponadto, pofałdowane dno umożliwia wskazanie miejsc, w których program popełnia największe błędy. PROCES ALGORYTMU TESTOWANIA APLIKACJI GLOBAL MAPPER Program Global Mapper wykorzystano do modelowania dna morskiego. Aplikacja ma za zadanie wygenerować obraz dna w zależności od ilości danych batymetrycznych. Algorytm testowania ma na celu przedstawienie w jaki sposób zbadano wiarygodność programu co do obliczania brakujących danych batymetrycznych. Proces algorytmu testowania aplikacji przedstawiono za pomocą schematu blokowego (rys. 2): Opis procesu testowania programu w oparciu o schemat blokowy: 1 Dane z echosondy w postaci współrzędnych x, y, z eksportowane są do programu Statistica. 2 W programie Statistica następuje przygotowanie danych, które przedstawione są jako macierz, składająca się z kolumn (zmienne x) i z wierszy (przypadki - y). Przygotowanie danych składa się z III etapów: Selekcja skrajnych współrzędnych, Losowanie pewnej ilości danych wewnętrznych, Scalenie skrajnych współrzędnych z wylosowanymi danymi. 15

16 Jarosław Mikulski START DANE Z ECHOSONDY STATISTICA (PRZYGOTOWANIE DANYCH LOSOWANIE DANYCH; NR ITERACJI) GLOBAL MAPPER (OBLICZENIE DANYCH) STATISTICA (ANALIZA FUNKCJI PODOBIEŃSTWA) N T ZOBRAZOWANIE WYNIKÓW Rys. 2. Schemat blokowy algorytmu testowania aplikacji Global Mapper Etap I Spośród zmiennych i przypadków należy wyodrębnić te, które opisują kontury kształtu testowanego obszaru, czyli jego punkty skrajne (Rys. 3.). 16

17 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper Rys. 3. Wykres skrajnych współrzędnych testowanego obszaru Współrzędne punktów skrajnych można zapisać jako zbiór Z: Współrzędne punktów skrajnych (x, y) wraz z przypisanymi im głębokościami (z) wycięto z pierwotnego pliku i zapisano w osobnym arkuszu programu Statistica. Etap II Dla pozostałych danych przyjęto nazwę dane wewnętrzne, tzn. są to wszystkie punkty (x, y, z) wypełniające akwen, których granicę stanowią punkty skrajne. W etapie II tworzony jest nowy podzbiór składający się z losowo wybranych danych wewnętrznych, gdzie oznacza numer kolejnej iteracji. W pracy założono pięciokrotne przetestowanie aplikacji. Za pierwszym razem losowane jest, następnie,, i ostatni test wykonano dla danych. 17

18 Jarosław Mikulski Etap III W etapie III należy wylosowaną ilość danych scalić z danymi skrajnymi. Wylosowane dane kopiowane są do skoroszytu z współrzędnymi punktów skrajnych. W ten sposób otrzymano obszar w którym brakuje danych wewnętrznych. Zadaniem programu Global Mapper jest obliczenie wartości brakujących danych batymetrycznych. Jeżeli nie połączono by punktów wewnętrznych z punktami skrajnymi, bądź losowanie odbyło się spośród wszystkich danych z echosondy doszło by do zniekształcenia granicy testowanego obszaru. Ostatnią czynnością, którą należy wykonać w etapie III jest zapisanie przygotowanych danych jako plik tekstowy (*.txt). 3 Przygotowany plik tekstowy otwierany jest za pomocą aplikacji Global Mapper, która generuje obraz dna i przeprowadza obliczenia dla odrzuconych w drodze losowania zmiennych. W celu sprawdzenia obliczonych wartości należy eksportować wygenerowany model do pliku XYZ Grid (*.xyz). 4 Następnym elementem algorytmu jest sprawdzenie dokładności wyliczonych danych batymetrycznych. W tym celu należy w programie Statistica otworzyć wyeksportowany z testowanej aplikacji plik XYZ Grid. W ten sposób otrzymano macierz, odpowiadającą kształtem oraz ilością elementów macierzy wzorcowej dna. Zarówno podczas importu jak i eksportu danych z programu Global Mapper nałożono warunki, określające rozdzielczość współrzędnych x i y. Dzięki temu została zachowana proporcja rozmieszczenia wygenerowanych danych z danymi wzorcowymi. Inaczej mówiąc wyznaczone pary współrzędnych, pokrywają się na płaszczyźnie z pierwotnymi parami współrzędnych,. Wobec tego do porównania pozostają tylko przypisane im zmienne głębokościowe oraz. Porównania dokonano za pomocą funkcji podobieństwa stosując wybrane miary odległości [1]: odległość Euklidesa: gdzie:, - wartość tej zmiennej dla porównywanych macierzy; liczba zmiennych; 18

19 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper odległość Camberra: algorytm różnicowy: 5 W bloku warunkowym postawiono pytanie czy wykonano już 5 iteracji? Jeżeli nie to należy wrócić do punktu 2 i rozpocząć kolejny test. Natomiast, gdy wykonano piątą iteracje następuje prezentacja wyników. 6 Ostatnim elementem algorytmu jest zobrazowanie wyników. Przedstawione zostają rezultaty obliczeń. OCENA WIARYGODNOŚCI PROGRAMU GLOBAL MAPPER Oceniając dokładność aplikacji Global Mapper do wyznaczania brakujących danych batymetrycznych w modelu przestrzennym dna morskiego uwzględniano kilka czynników jednocześnie. Wykonując każdy z pięciu testów analizowano kolejno: odległość Euklidesa, odległość Camberra, algorym różnicowy, wykres rozrzutu głębokości obliczonych przez program względem głębokości odczytanych z echosondy, wykres rozrzutu błędów bezwzględnych ( ) względem głębokości odczytanych z echosondy, wykres rozrzutu kwadratów błędów bezwzględnych względem głębokości odczytanych z echosondy, histogram ilustrujący liczebność poszczególnych błędów bezwzględnych zawartych w określonych przedziałach, 19

20 Jarosław Mikulski trójwymiarowy model błędów bezwzględnych wyliczonych danych. Poniżej przedstawiono wyżej wymienione analizy przeprowadzone dla pierwszego i ostatniego testu. TEST I. GLOBAL MAPPER OBLICZAŁ 70% (5569) BRAKUJĄCYCH DANYCH Odległość Euklidesa: Odległość Camberra: Algorytm różnicowy: Rys. 4. Wykres rozrzutu głębokości obliczonych przez program względem głębokości odczytanych z echosondy (test I) 20

21 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper Rys. 5. Wykres rozrzutu błędów bezwzględnych (z -z) względem głębokości odczytanych z echosondy (test I) Rys. 6. Wykres rozrzutu kwadratów błędów bezwzględnych względem głębokości odczytanych z echosondy (test I) 21

22 Jarosław Mikulski Rys. 7. Histogram błędów bezwzględnych (test I) Rys. 8. Trójwymiarowy model błędów bezwzględnych (test I) 22

23 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper TEST V. GLOBAL MAPPER OBLICZAŁ 30% (2387) BRAKUJĄCYCH DANYCH Odległość Euklidesa: Odległość Camberra: Algorytm różnicowy: Rys.9. Wykres rozrzutu głębokości obliczonych przez program względem głębokości odczytanych z echosondy (test V) 23

24 Jarosław Mikulski Rys. 10. Wykres rozrzutu błędów bezwzględnych (z -z) względem głębokości odczytanych z echosondy (test V) Rys. 11. Wykres rozrzutu kwadratów błędów bezwzględnych względem głębokości odczytanych z echosondy (test V) 24

25 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper Rys. 12. Histogram błędów bezwzględnych (test V) Rys. 13. Trójwymiarowy model błędów bezwzględnych (test V) 25

26 Jarosław Mikulski Tab. 1. Zestawienie miar odległości dla poszczególnych testów. Odległość Euklidesa [m] Odległość Camberra Algorytm różnicowy [m] Test I 3 Test II Test III Test IV Test V Jak pokazuje powyższa tabela wraz z dostarczaniem do programu coraz większej ilości danych, na podstawie których Global Mapper oblicza brakujące wartości, błędy obliczeń maleją. Największa różnica występuje pomiędzy testem I i II, tzn. przy obliczeniach na podstawie 30% oraz 40% danych. Pomiędzy testami II, III i IV zauważa się mniejsze zmiany dla miar odległości, jednakże błąd dalej maleje. Najbardziej efektowny wydaje się test V, ponieważ w porównaniu z poprzednimi próbami błąd obliczeń dość znacznie maleje i przyjmuje przyzwoity poziom. Analizując wykresy rozrzutu głębokości obliczonych przez program względem głębokości odczytanych z echosondy można zauważyć, że zmienne wygenerowane przez aplikacje układają się zgodnie ze zmiennymi rzeczywistymi. Jednakże we wszystkich testach występują wartości odstające od ogólnej większości dobrze dopasowanych zmiennych. Widać to bardzo dobrze na wykresach rozrzutu błędów bezwzględnych oraz na histogramach. W tabeli 2 przedstawiono błędy bezwzględne dla poszczególnych testów. Błędy zawarte są w określonych przedziałach i wyrażone są w metrach, natomiast wartości w tabeli oznaczają liczebność poszczególnych błędów w procentach. Szczególną uwagę zwraca przedział, czyli przedział wartości najbardziej pożądanych. W tym zakresie znajduje się najwięcej obliczanych głębokości, co świadczy o wysokiej dokładności obliczeń. We wszystkich testach ponad 75% popełnionych błędów znajduje się w przedziale ± 0,5 m. Podobnie jak w przypadku miar odległości, dla błędów bezwzględnych widoczna różnica zarysowuje się między dwoma pierwszymi testami oraz ostatnim. Test III i IV nie wnoszą znaczącej poprawy wyników. Ponadto, przy obliczaniu tylko 30% zmiennych (test V), program nie popełnił żadnego błędu większego niż -2,5 m oraz tylko jeden błąd większy od 2 m. 26

27 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper Tab. 2. Zestawienie błędów bezwzględnych dla poszczególnych testów. l.p. [m] Test I Test II Test III Test IV Test V 0,04% - - 0,03% - 0,13% 0,04% 0,1% 0,06% - 0,32% 0,15% 0,15% 0,28% 0,21% 0,57% 0,4% 0,45% 0,44% 0,29% 1,56% 1,05% 1,06% 0,85% 0,54% 9,27% 8,38% 8,27% 8,45% 8,55% 77,7% 79,73% 80,92% 80,29% 83,03% 8,55% 8,48% 7,99% 8,11% 6,28% 1,17% 1,36% 0,65% 1,13% 0,75% 0,48% 0,27% 0,3% 0,31% 0,29% 0,13% 0,1% 0,08% 0,03% - 0,04% 0,02% 0,03% - - 0,04% ,04% - 0,02% ,02% Porównując model 3D dna z modelami 3D błędów bezwzględnych można zaobserwować, że aplikacja najgorzej radzi sobie w miejscach, w których dochodzi do gwałtownej zmiany głębokości. W tych miejscach dochodzi do największych błędów. Natomiast prowadząc obliczenia dla łagodnego dna program popełnia niewielkie błędy. 27

28 Jarosław Mikulski WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynika, że oceniając wiarygodność modelu przestrzennego dna morskiego uzyskanego za pomocą aplikacji Global Mapper funkcji ilości danych batymetrycznych należy uwzględnić ukształtowanie dna. Program bardzo dobrze radzi sobie z obliczaniem nawet do 60% brakujących danych, gdy profil dna jest łagodny. Natomiast przy mocno zróżnicowanym profilu dna, zwłaszcza przy nagłych zmianach głębokości Global Mapper popełnia duże błędy. Dlatego w miejscach, gdzie przeplatają się nawzajem duże, strome wzniosłości i nachylenia dna (np. grzbiety śródoceaniczne) powinno się przeprowadzać obliczenia na podstawie co najmniej 70% danych. Ponadto, analizując wykonane obliczenia i modele graficzne można stwierdzić, że aplikacja jest najbardziej efektywna obliczając 60% oraz 30% (testy II i V) usuniętych danych batymetrycznych. Testy III i IV (program obliczał 50% i 40% danych) wniosły tylko nieznaczną poprawę wyników. Wartość algorytmu różnicowego V testu można zinterpretować jako wartość średnią popełnianych błędów. Wynosi ona 0,28 m, co w porównaniu ze średnią głębokością akwenu 12,4 m jest dobrym wynikiem. Podsumowując, Global Mapper okazał się najskuteczniejszy podczas V testu, ponieważ pomimo zróżnicowanego ukształtowania badanego dna morskiego, z 30% obliczanych głębokości nieco ponad 83% popełnionych błędów znajduje się w przedziale ± 0,5 m. Co za tym idzie, program można uznać za wiarygodny do obliczania do 30% brakujących danych, niezależnie od ukształtowania rzeźby dna oraz do 60% dla dna niewiele pofałdowanego. LITERATURA [1] Cichocki A. Zastosowanie pól fizycznych okrętu do wyznaczania jego położenia, Rozprawa Doktorska, Gdynia [2] Kierzkowski W.: Pomiary morskie. Cz. I. Pomiary hydrograficzne. T. 1, WSMW, Gdynia [3] Kraak M., Ormeling F. Kartografia wizualizacja danych przestrzennych, PWN, Warszawa, [4] Norma Obronna NO-01-A009. [5] Riker G. Getting Started with Global Mapper 8 and cgpsmapper, October [6] Specht C. System GPS, BERNARDINUM, Pelplin,

29 Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper [7] Stateczny A., Kozak M.: Budowa numerycznego modelu rzeźby terenu toru wodnego metodą opartą na przekrojach, Zeszyty Naukowe nr 11(83) Akademii Morskiej w Szczecinie, 2006, str [8] [ r.] [9] [ r.] [10] [ r.] The 3D bathymetric data modelling by means of the Global Mapper In the papere the estimation of the reliability of the model of the spatial seabed obtained by means of the Global Mapper application in the function of bathymetric data quantities Recenzent: dr inż. Krzysztof Naus 29

30 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A

31 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A Andrzej Felski Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego typu kardanowego Inercjalne Systemy Nawigacyjne, jakkolwiek stosowane od ponad półwiecza, nadal są niezbyt znane polskim nawigatorom. Jedną z przyczyn jest zapewne niedostatek literatury w języku polskim. Przedmiotem niniejszego opracowania jest omówienie zasadniczych własności kardanowej odmiany tych urządzeń oraz jakościowa analiza ich dokładności. WPROWADZENIE W roku 1911 oficer marynarki wojennej Cesarstwa Niemiec, Johan Maria Boykow, posiadający również doświadczenie pilota, przedłożył pomysł urządzenia nawigacyjnego, które nazwał czarną skrzynka, prowadzącą nawigację za człowieka, gwarantując ciągłą informację o aktualnych współrzędnych pozycji. Zaproponował, aby w charakterze sensorów użyć jednoosiowych mierników przyspieszenia w wybranym kierunku leżącym w płaszczyźnie horyzontu. Ponieważ całka przyspieszenia po czasie to prędkość, wiec scałkowanie sygnału z miernika przyspieszeń (akcelerometru) daje informację o prędkości wzdłuż osi równoległej do miernika. Zastosowanie dwóch prostopadłych mierników dałoby informacje o przemieszczaniu się obiektu na powierzchni. Ponieważ ponowne scałkowanie sygnałów wyjściowych daje informację o drodze przebytej wzdłuż każdej z obu osi pomiarowych takiego przyrządu, to po dodaniu do pozycji początkowej można w ten sposób uzyskać bieżącą informację o pozycji zliczonej. Istotne w tym przypadku jest zapewnienie konkretnej orientacji osi czujników względem przyjętego układu współrzędnych, co można zrealizować w oparciu o żyroskopy. Jeżeli zastosować trzy wzajemnie prostopadłe sensory pomiarowe i zapewnić stabilność ich orientacji względem układu współrzędnych, to znając pozycję początkową i zliczając na bieżąco za pomocą tego przyrządu przyrosty współrzędnych można określić swoją bieżącą pozycję w przestrzeni. Pomysł ten Boykow opatentował w roku 1930, nawet podjął próbę budowy takiego przyrządu, jednak ówczesny poziom technologii nie był wystarczający dla osiągnięcia 31

32 Andrzej Felski rozsądnych rezultatów. Podobno samolot z prototypem, po trzech godzinach lotu doleciał z Berlina do granicy Niemiecko-Holenderskiej, a przyrząd wskazywał współrzędne Australii. Niemniej już w roku 1945 przyrząd taki zbudowano, właśnie w Niemczech. Na szczęście dla ludzkości zabrakło czasu na jego masową produkcje, bowiem miał to być system sterowania rakiet V 2. Po ponad półwieczu pomysł ten obecnie stosowany jest dość powszechnie, zwłaszcza na obiektach kosmicznych, samolotach i okrętach wojennych (szczególnie podwodnych), jako Inercjalny System Nawigacyjny (INS). Pomimo wysokich kosztów i opinii doskonałego i bardzo złożonego systemu nawigacyjnego jest to w istocie urządzenie realizujące powszechnie przez nawigatorów znane zadanie zliczenia drogi. Podobnie jak w przypadku tradycyjnie prowadzonego zliczenia drogi system wymaga wprowadzenia współrzędnych pozycji początkowej, a jego dokładność, tak jak to ma miejsce zawsze przy zliczeniu drogi, ulega stopniowej degradacji. Rozważane systemy składają się zawsze z zestawu trzech ortogonalnych mierników przyspieszeń oraz triady żyroskopów. Na pozór na wodzie i na ladzie, w odróżnieniu od przestrzeni powietrznej i kosmicznej, możemy ograniczyć się do znajomości dwóch współrzędnych na płaszczyźnie, jak to zakładał Boykow, jednak w rzeczywistości, wobec kulistości Ziemi, nawet ruch po jej powierzchni jest ruchem trójwymiarowym. Stosowane w tych przyrządach sensory funkcjonują nie względem Ziemi, jak to jesteśmy przyzwyczajeni przyjmować w innych technikach nawigacyjnych, lecz względem przestrzeni inercjalnej, za którą można przyjąć kosmos. Ziemia nie może w tym przypadku być traktowana, jako układ inercjalny, ponieważ wprowadza dodatkowy ruch wirowy obiektu z nią związanego. Dlatego należy przyjąć, że nawet w przemieszczając się na powierzchni Ziemi przemieszczamy się w przestrzeni, z dodatkowym ruchem wirowym wokół osi naszej planety (ruch unoszenia). W przypadku nawigacji w pobliżu Ziemi akcelerometry są instalowane tak, aby oś jednego wskazywała pion, a osie pozostałych były ustawione odpowiednio do stosowanego układu współrzędnych (nie musi to być układ współrzędnych geograficznych). W kosmosie, gdzie przyspieszenie Ziemskie nie ma takiego znaczenia orientacja sensorów może być inna. Dla utrzymania właściwej orientacji akcelerometrów, pomimo ruchów nosiciela sensory te instaluje się na tak zwanej platformie kardanowej (w zawieszeniu kardana), której orientacja jest stabilizowana za pomocą żyroskopów. Schemat tego rozwiązania przedstawiono na rys. 1. Istnieją również nowsze rozwiązania, niewymagające zawieszenia kardana (układy bezkardanowe) jednak ten wariant pominiemy. 32

33 Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego typu kardanowego Rys. 1. Schemat kardanowego inercjalnego systemu nawigacyjnego, na podstawie [5] Rys. 2. Schemat ideowy inercjalnego systemu nawigacyjnego W takich rozwiązaniach nadal powszechnie stosuje się czujniki jednoosiowe (żyroskopy i akcelerometry), a wiec należy zastosować trzy, wzajemnie prostopadłe czujniki. Rola akcelerometrów została wyjaśniona wcześniej, natomiast żyroskopy spełniają w systemie rolę czujniki kąta w układach automatycznej regulacji położenia platformy, przekazując sygnał o jej odchyleniu do serwo- 33

34 Andrzej Felski mechanizmów sprowadzających platformę do położenia początkowego. Dzięki temu zachowuje się stałą orientację platformy w przestrzeni inercjalnej, co w praktyce oznacza kosmos. Jeśli oczekujemy określania przez system współrzędnych względem układu związanego z Ziemią konieczna jest dodatkowa transformacja współrzędnych do wybranego układu. Szkic na rys. 1 ma charakter poglądowy, w istocie, ze względu na optymalne rozmieszczenie wszystkich elementów oraz właściwe wyważenie tego elementu platforma nie przypomina płaskiego elementu, który zazwyczaj z pojęciem platformy się kojarzy (rys. 3). Rzeczywiste konstrukcje bardziej przypominają kule zbudowane z systemu pierścieni zawieszenia kardana. Na końcu każdej z trzech osi zawieszenia kardana znajduje się czujnik kąta, służący do odczytu kąta położenia (obrotu) pierścienia dobrze widoczny na rys. 3b. a) b) Rys. 3. Przykłady inercjalnych systemów nawigacyjnych typu kardanowego. a - pierwszy inercjalny system nawigacyjny typu kardanowego SG 66 przeznaczony dla rakiety V2 [7] b - nstrukcja współczesna (Marconi FIN 1000) [5] Przedstawione na rys. 3a rozwiązanie jest pierwszym w historii inercjalnym systemem nawigacyjnym spełniającym oczekiwania praktyków. Zbudowano go w ośrodku doświadczalnym w Peenemunde w roku 1945 z zamiarem zastosowania na rakietach V2, jednak konstruktorom zabrakło czasu na wdrożenie tej konstrukcji. Mimo klęski hitlerowskich Niemiec konstrukcja ta zrobiła wspaniałą karierę, tak jak i wielu pracowników zespołu Wernera von Brauna, głównego konstruktora rakiety V 2. Zespół ten, wraz z dokumentacją techniczną oraz wie- 34

35 Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego typu kardanowego loma newralgicznymi elementami rakiety (w tym również z urządzeniem SG 66) trafił do USA, gdzie kontynuował swe prace, choć rakieta zmieniła swą nazwę na Red Stone. Po kolejnych kilkunastu latach zespół ten trafił do NASA, a zwieńczeniem ich trudu było lądowanie pierwszego człowieka na Księżycu, w pojeździe wyposażonym w udoskonalą wersję SG 66. Na ile ta konstrukcja była pionierska wystarczy porównać współczesną konstrukcję (koniec XX wieku) stosowaną na samolotach Harier, z pierwowzorem (rys. 3b). System INS dostarcza nawigatorowi informację o pozycji, prędkości i kącie drogi, orientacji przestrzennej (kurs i przechyły wzdłużne i poprzeczne) oraz przyspieszeniach. Jednakże droga od pomysłu Boykowa do współczesnych systemów inercjalnych wymagała rozwiązania wielu problemów, których pomysłodawca sobie nie wyobrażał. OKRES SCHULERA Przemieszczając się w pobliżu powierzchni Ziemi staramy się zachować horyzontalne położenie platformy, aby zniwelować wpływ przyciągania ziemskiego na akcelerometry ustawione w płaszczyźnie horyzontalnej. Gdyby sensory te były odchylone od płaszczyzny horyzontalnej, w ich pomiarach pojawiłaby się składowa wynikająca z rzutu wektora przyciągania ziemskiego na oś pomiarową. Ponadto, dążymy do zachowania położenia dwóch akcelerometrów w pozostałych osiach przyjętego układu współrzędnych. W nawigacji morskiej są to najczęściej współrzędne geograficzne, jednak nie jest to rozwiązanie konieczne. Na przykład w lotnictwie bardziej popularne są współrzędne ortodromiczne, związane z trajektorią lotu, z kolei w kosmosie, zwłaszcza dalekim, każdy układ współrzędnych w jakikolwiek sposób związany z Ziemią traci sens. Bez względu na wybrany układ współrzędnych musimy zachować stałą orientację akcelerometrów względem osi wybranego układu współrzędnych. Oznacza to, że zmuszeni jesteśmy wywoływać precesję żyroskopów w taki sposób, aby zmieniały swoją orientację w miarę przemieszczania się obiektu wyposażonego w INS, ale również w miarę obracanie się Ziemi, albowiem nie możemy zapominać o tym, że żyroskopy utrzymują stały kierunek w przestrzeni inercjalnej i przyspieszenia wywołane obrotem Ziemi (dośrodkowe i Coriolisa) zostaną przez akcelerometry również zmierzone. Przemieszczanie się po powierzchni Ziemi z dowolną prędkością liniową v oznacza zmianę położenia kątowego promienia wodzącego R z prędkością kątową Θ równą v/r (rys. 4). Jednakże druga pochodna kata Θ to przyspieszenie, a wiec zmiany wartości v/r oznaczać mogą tak przyspieszenia występujące w ruchu po powierzchni Ziemi jak i wpływ składowej poziomej przyciągania Ziemskiego na akcelerometry odchylone od płaszczyzny horyzontu (błędy w pomiarach przyspieszenia wywołane niezachowaniem horyzontalnego położenia platformy). Problem zachowania kierunku horyzontalnego występuje zawsze, 35

36 Andrzej Felski gdy mamy do czynienia z przemieszczaniem się po powierzchni Ziemi, ale także w wyniku obracania się Ziemi. Podobny problem pojawia się w funkcjonowaniu żyrokompasów i już w latach dwudziestych został zauważony przez jednego z pracowników firmy Anschutz, profesora Schulera, który odkrył, że aby podobne urządzenia zmieniały swoje położenie względem horyzontu bez dodatkowych oscylacji powinny być tak zbudowane, aby okres ich wahań był podobny do okresu wahadła o długości równej promieniowi Ziemi. Rys. 4. Istota okresu Schulera (wahadło Schulera) Okres wahań takiego wahadła wynosi około 84,4 min. Tak wiec dla uniknięcia wpływu ewentualnych odchyleń położenia platformy od horyzontu wynikających z przemieszczania się po powierzchni Ziemi lub jej wirowania system napędu platformy powinien cechować się okresem własnych oscylacji równym okresowi Schulera. BŁĘDY INS Najprostszy schemat ideowy systemu inercjalnego przedstawiono na rys. 5. Można w nim wydzielić dwa tory pomiarowe związane z akcelerometrami ustawionymi w południku (akcel. N) oraz równoleżniku (akcel. E), których wyjścia podłączone są do kanałów całkujących informację i dających w konsekwencji współrzędne geograficzne. Z tymi układami sprzężone są żyroskopy stabilizujące platformę w horyzoncie wzdłuż osi N oraz E poddawane precesji na podstawie informacji o prędkościach przemieszczania się w południku i równoleżniku. Trzeci żyroskop stabilizuje platformę w azymucie, czyli wywołuje obroty wokół osi pionowej. W tym miejscu warto zwrócić uwagę na fakt, iż ozna- 36

37 Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego typu kardanowego cza to założenie o kulistym kształcie Ziemi (współczynnik 1/R w przeliczaniu składowych prędkości na zmianę kątowego położenia żyroskopów). W istocie przyjmuje się elipsoidalny kształt Ziemi, wiec w rzeczywistych konstrukcjach te człony będą nieco bardziej rozbudowane. Na schemacie należy zwrócić uwagę na sprzężenie pomiędzy pomiarami przyspieszeń w południku i określaną na tej podstawie prędkością liniową w południku a żyroskopem wystawionym w kierunku E/W, którego precesja jest sterowana wartością prędkości V N. Podobnie rzecz się ma w drugim kanale pomiarowym. Rys. 5. Schemat blokowy INS typu kardanowego Oczywiście nie istnieje przyrzad pomiarowy, który nie cechowałby się pewnymi niedokładnościami, powszechnie nazywanymi błędami. Mogą one mieć charakter systematyczny, wynikający z założeń konstrukcyjnych i losowy, powodowany niedoskonałością wykonania lub wpływem nieznanych czynników zewnętrznych. Te drugie możemy analizować tylko metodami statystyki, natomiast wartości błędów systematycznych można przewidywać na drodze analitycznej. Dla lepszego zrozumienia tego zagadnienia posłużmy się przykładem. A. BŁĄD NACHYLENIA PLATFORMY Załóżmy, że okręt nie porusza sie, jednakże platforma nie znajduje się w położeniu horyzontalnym. Niech oś równoległa do południka będzie odchylona od horyzontu o 100 mikroradianów. W efekcie jeden z horyzontalnych akcelero- 37

38 Andrzej Felski metrów zmierzy przyspieszenie 100mg, które w istocie będzie składową przyspieszenia ziemskiego. Na wyjściu pierwszego układu całkującego pojawi się informacja o zwiększającej się prędkości okrętu (załóżmy, że w kierunku północnym). To oznacza, że odpowiedni żyroskop, adekwatnie do narastającej prędkości i związanego z tym (pozornego) przesuwania się okrętu na północ powinien zostać poddany precesji, aby w efekcie platforma ustawiła się równolegle do horyzontu w innym miejscu na Ziemi, adekwatnie do ruchu okrętu, który prawdopodobnie ma miejsce, skoro zmierzono przyspieszenie. W pewnym momencie spowoduje to zmniejszenie przechyłu, stopniowe doprowadzenie platformy do położenia horyzontalnego i ostatecznie na wyjściu żadnego z akcelerometrów nie będzie występował sygnał o przyspieszeniu. Jednak system jest przekonany, że okręt utrzymuje uzyskaną w międzyczasie prędkość (fałszywe przyspieszenie w trakcie trwania regulacji położenia horyzontalnego platformy), a wiec zmienia szerokość geograficzną. Wobec tego nadal należy dokonywać obrotu platformy. Wywoła to przeciwny skutek, to znaczy odchylona w przeciwnym kierunku platforma spowoduje pojawienie się tej samej składowej przyspieszenia ziemskiego, lecz z przeciwnym znakiem, co system rozumie, jako zwalnianie okrętu i w 42 minucie tego procesu wykaże maksymalną wartość ujemnego przyspieszenia, zerową prędkość i błąd pozycji w szerokości geograficznej o około 0,7 Mm. Wszystkie te zmienne, to znaczy przyspieszenie, prędkość i współrzędna oscylują z okresem Schulera (patrz rys. 6). Rys. 6. Wpływ błędu ustawienia początkowego platformy 38

39 Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego typu kardanowego B. DRYF ŻYROSKOPU Załóżmy z kolei, że jeden z żyroskopów odpowiedzialnych za konserwację kierunków osi układu współrzędnych posiada dryf o wartości 0.01 stopnia/godzinę. Skutkuje to, za pośrednictwem układu serwomechanizmów, odchylaniem platformy od właściwego położenia. Ponownie pojawia się błąd w pomiarze przyspieszenia, który skutkuje pojawieniem się informacji o narastaniu prędkości. Ta fałszywa informacja o prędkości oscyluje również w sposób typowy dla procesu opisanego przez Schulera, jednak wielkość ta nie przyjmuje wartości ujemnych. Skutkuje to narastaniem błędu współrzędnej z wahaniami charakterystycznymi dla okresu Schulera i w takim przypadku, po godzinie, ponownie błąd współrzędnej wyniesie około 0,7Mm, jednak po dwóch godzinach błąd ten wzrośnie do około 1,5Mm, mimo, że okręt cały czas stoi w porcie. Rys. 7. Wpływ dryfu żyroskopu C. DRYF ŻYROSKOPU AZYMUTALNEGO Dryf żyroskopu odpowiedzialnego za utrzymanie orientacji w azymucie wywołuje inne skutki niż dryf żyroskopów utrzymujących horyzontalne położenie platformy. Pojawi się obrót platformy wokół kierunku pionu, co w przypadku opisanym powyżej spowoduje stopniowo pojawienie się odczytów w akcelerometrze ustawionym w kierunku E-W i zmniejszanie się odczytów w akcelerometrze 39

40 Andrzej Felski N-S. Zjawiska opisane powyżej w odniesieniu do kierunku południkowego pojawią się również w kierunku równoleżnikowym, jakkolwiek ich wartości będą różne, zależnie od wartości błędu w azymucie. Niemniej sumaryczny błąd będzie podobny, tylko kierunek pozornego przemieszczenia okrętu będzie zmieniał się w miarę upływu czasu. Wpływ tego błędu jest mniejszy, przyjmuje sie, że dla dryfu żyroskopu azymutalnego 0,2 stopnie/godzinę po godzinie pojawi się błąd rzędu 1 Mm. D. INNE ŹRÓDŁA BŁĘDÓW Powyższe trzy przykłady dają wyobrażenie o dynamice błędów występujących w systemach inercjalnych, jednakże istnieje wiele innych źródeł błędów. Na szczególną uwagę zasługują: niewspółosiowość sensorów i układu współrzędnych, niestabilność współczynnika skali obrazująca zależność pomiędzy mierzonymi parametrami a wartością sygnału na wyjściu sensora czy wreszcie nieliniowości tych zależności. Wiele z tych błędów zmienia swoje wartości przy kolejnym włączeniu systemu i ma całkowicie losowy charakter. Skutek tych błędów można ocenić metodami statystyki oceniając promień błędu sumarycznego. Typowa wartość przyjmowana dla współczesnych, morskich INS to w przybliżeniu 0,5Mm na godzinę. Należy podkreślić, że błąd ten nie narasta liniowo, lecz w znacznym stopniu oscyluje. Przykład takich zmian w przedziale 13 godzin żeglugi przedstawiono na rys. 8. Rys. 7. Błędy wyznaczeń współrzędnych pozycji typowym systemem INS w funkcji czasu 40

41 Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego typu kardanowego Omawiając zagadnienie błędów INS zwróciliśmy uwagę tylko na zasadnicze źródła pomijając wiele z nich. Wśród pominiętych należy wymienić przyspieszenie Coriolisa i przyspieszenie odśrodkowe wywoływane przez obrót Ziemi, eliptyczność Ziemi oraz nieznajomość rzeczywistego rozkładu przyspieszenia Ziemskiego, a także kształt powierzchni Geoidy i wahania poziomu morza. LITERATURA [1] Britting K. R. Inertial Navigation Systems Analysis. Artech House, Boston, London, [2] Farrell J. A. Aided Navigation. Mc Graw Hill, New York, [3] Groves P. D. Principles of GNSS, Inertial and Multisensor Integrated Navigation Systems. Artech House Boston, London, [4] Jekeli Ch. Inertial Navigation Systems with Geodetic Applications. De Gruyter, New York, [5] King A. D. Inertial Navigation Forty Years of Evolution. GEC Review, vol. 13, no. 3, [6] Lawrence A. Modern Inertial Technology. Springer, New York, [7] Mackenzie D. Inventing Accuracy. A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. The MIT Press Cambridge, London, Inertial Navigation Systems, somehow applied from over half-centuries, are still not very well-known to polish navigators. One of reasons is surely the lack of the literature in Polish. An object of the present elaboration is the discussion of properties and principle of the platform (mechanized) version of these devices and the qualitative analysis of their accuracy. 41

42 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A

43 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A Andrzej Felski, Krzysztof Jaskólski THE INTEGRITY OF THE NAVIGATION INFORMATION RECEIVED BY MEANS OF AIS Automatic Identification System becomes more and more popular on all ships, and crews are more and more familiar with them. However the confidence of navigators to the information gained from this device is growing up permanently some time cases, when AIS delivers the misinformation, are observed. An aim of the report is the discussion over the degree of confidence, which we can have to the information gained with this way. THE GENERAL INFORMATION CONCERNING AIS According to SOLAS74 Convention, Rule , Chapter V (Safety of Navigation), approved on July 1, 2002, all vessels exceeding 300 tones of dead weight and carrying international cruises are obliged to be equipped with onboard automatic identification system receivers. However, one should take a note of the fact that, according to SOLAS 74, Rule , Chapter AIS, two types of AIS receivers exist, namely: 1) Class A - Shipborne Mobile Equipment, designed for maritime SOLAS ships and 2) Class B - Shipborne Mobile Equipment for non-solas vessels. This implies that it is expected non-solas vessels will occur more frequently than SOLAS vessels with Class A AIS receivers. The main task of AIS system is transmitting binary messages in the following ways 1) ship to ship and 2) ship to shore to ship, as well as presenting the results with the use of appropriately programmed devices [8]. According to SOLAS 74 Resolutions, Chapter V, AIS system enables: automatic transmission of: 1) ship identification data, 2) actual geographic position, 3) course, 4) speed, 5) navigational status, 6) hazardous cargo type and 7) short safety-related messages, to the base stations, other ships and aircrafts, automatic receiving of the information mentioned above, broadcasted by the vessels having the same equipment as the receiver, automatic monitoring of geographic position and monitoring of other vessels equipped with AIS, automatic exchange of information with shore base stations. 43

44 Andrzej Felski, Krzysztof Jaskólski Class A AIS system broadcasts: 1) static, dynamic and voyage related data, 2) short safety-related messages, and 3) navigation and hydrographic warnings on demand, which are directed to single AIS user or selected group of users. Static information is implemented in the AIS during installation and updated upon changes in the ship name or call sign. Additionally, changes of information are implemented after: 1) ship reconstruction, 2) changes in basic dimensions, or 3) in case of changes in AIS-antenna position. Static information is secured to prevent unauthorized access. The following parameters constitute static information: a. ship name and call sign, b. MMSI (Maritime Mobile Service Identity) and IMO numbers, c. the type of ship defined by two-digit code, d. location of antenna fixing position on the ship (aft of bow and port or starboard of centerline), e. length and beam. DYNAMIC INFORMATION INCLUDES: a. time in UTC (Universal Coordinated Time) from GPS receiver, b. ship position from GPS Receiver connected to AIS with accuracy indication and integrity status, c. course over ground and speed over ground (updated from GPS receiver), d. heading, e. ROT (rate of turn), f. navigational status (manual input by operators according to COLREG72). The third type of information is voyage related data, which includes the following: a. actual, maximum ship draught, b. information concerning hazardous and harmful cargo carried and maritime pollutants. This information is required by domestic maritime administrations, ship reporting systems and port authorities, c. destination port and ETA (Estimated Time of Arrival), d. route plan (waypoints) as required by component authorities, e. the number of person on board with crew. During autonomous mode, Class A AIS - Shipborne Mobile Equipment broadcasts static information every 6 minutes and, if necessary, on demand. Dynamic information is transmitted depending on the speed over ground. Voyage related data is transmitted every 6 minutes and upon changes in any component of information. It implies that AIS system ensures continuous access to actual information about other ships with simultaneous reduction of excessive information by reducing the transmission of information that is not subject to changes. 44

45 The integrity of the navigation information received by means of AIS The question arises with regard to the reliability of the information, which sources are unknown. It is widely known that reliability of device can be assessed if one is able to verify the correctness of working appliance. As far as AIS system is concerned, source of information is not verified (human on another ship, unknown devices). Additionally, one should take into account that one of the conditions of proper AIS system operation is to ensure efficient communication channel. Taking into consideration scientific publications related to the reliability of AIS system, there is a variety of accidents, when the received AIS information is evidently incorrect. There is no available information about accidents when mistakes are not evident and therefore may not be perceived. Up to now, quality analysis of AIS information has been conducted by Polish Maritime Administration. The research revealed that transmitted AIS information is incorrect or incomplete in 20-30% [3]. Another sources of reliability research revealed that majority of vessels transmit correctly only dynamic information obtained from devices connected to AIS transponders. Voyage related data inserted by operators is undefined or incorrectly determined in 90% [13]. RESEARCH METHODS OF AIS RELIABILITY Since AIS system broadcasts different types of information i.e. text and binary, static and dynamic, and the assessment of AIS information correctness can be performed by the comparison of this information with actual information; the problem proves to be complex. To date, in publications concerning AIS research, it is possible to find results of reliability studies based on statistical analysis of static information errors. Another approach assumes the use of statistical techniques of multiple regression. The main aim of the application of this methodology is to assess the users satisfaction of AIS information. These studies of AIS information are based on questionnaire methods. It is worth to note that, commonly, the efficiency of navigation systems is expected to meet the standards in specified conditions and defined time frames. It is not always understood in terms of the quality of information received from the device. One cannot be satisfied only with the proper operation of device in navigational conditions. Navigation system is expected to provide reliable information. Quality of navigational information is identified with a set of characteristic features defining the capabilities of AIS to fulfill existing and future user expectations. 45

46 Andrzej Felski, Krzysztof Jaskólski A. THE INVESTIGATION OF THE QUALITY OF AIS SERVICE WITH STATISTICAL METHODS The method of statistical analysis of AIS system static information quality was presented by Harati Mokhtari et al. in [9]. The authors defined the types of mistakes and errors made by AIS system users. Statistic analysis of AIS information quality is based on the modification of reliability system model referred to as Swiss Cheese Model Fig. 1. Swiss Cheese Model of human errors in AIS system [9] It is estimated, that at least 80% of all recorded maritime accidents result from human errors. Therefore, the contribution of human error as a main factor leading to the increased number of maritime accidents was studied over a tenyear period of [9]. Reliability studies of AIS information have been conducted by Liverpool John Moores University in three locations: VTS Liverpool - in time period of September October 2005, where information about 94 vessels was recorded; 46

47 The integrity of the navigation information received by means of AIS AISLive Company of Lloyds Register-Fairplay Ltd in time period from the 1st of March to the 17th of March 2005, where reports were recorded, of which reports were assessed; Service AISWeb of Dolphin Maritime Software Ltd. - from the 23rd of November 2005 to the 2nd of May The criterion of reliability assessment of AIS information was presented in table 1. In the table, 0 value means failure state, whereas 1 value means contrary occurrence working state information in exploitation state with ability to use in navigation process. In this method, the criteria of reliability of AIS static information are defined in the from of constraints, as shown below in table 1. Tab. 1. Criterion of the assessment of AIS information reliability [9]. No. Static information component 1. MMSI 2. VESSEL TYPE SHIP S NAME & CALL SIGN VESSEL NAVIGATIONAL STATUS 5. LENGTH 6. BEAM 7. DRAUGHT 8. DESTINATION AND ETA Completeness of information 0 not defined 1 defined 0 not defined 1 defined 0 not defined 1 defined 0 not defined 1 defined 0 not defined 1 defined 0 not defined 1 defined 0 not defined 1 defined 0 not defined 1 - defined Coefficients of lacking integrity information 0 for MMSI with values [0,1, less than 9 digits, , , etc, , , , ] 1 for correctly defined MMSI number according to ITU RM for incorrectly defined vessel type at variance with destination ship 1 for correctly defined parameter according to ITU RM ship name without marks, 1 ship name contains max. 20 ASCII characters, IMO number contains max. 7 ASCII characters 0 for SOG>10 knots, when the status is Moored 0 for 0 m, 1 for correctly defined parameter according to ITU RM for 0 m, 1 for correctly defined parameter according to ITU RM for 0 m, 1 for correctly defined parameter according to ITU RM Findings of the reliability studies are summarized below, organized by individual AIS field. MMSI 26 of reports included errors in numbers. The main reason for errors in MMSI were errors made by the personnel responsible for 47

48 Andrzej Felski, Krzysztof Jaskólski the system installation. The threat of occurrence of two or more identical MMSI numbers exists. VESSEL TYPE in 6% of received reports the vessel type was not defined. Generally, in 3% of reports the vessel type was simply defined as vessel. SHIP NAME, CALL SIGN The lack of ship name or call sign has been observed in 0,5% of cases. Another issue was the ship name abbreviation resulting from the fact that the field is limited to 20 characters in the AIS equipment. VESSEL NAVIGATIONAL STATUS was incorrectly defined in 30% of received reports, including 4% cases, where power driven vessel underway using their engine transmitted information underway sailing. Other examples revealed in the course of the research include: a ship underway at 10 knots shown as At anchor or Moored. LENGTH AND BEAM Error information cases reported in 47%. DRAUGHT in 69,5% draught value was incorrect or not defined, of which 17% of cases related to undefined information about actual draught or value amounting to 0 m. It was also observed that in 14% of the AIS draught entries is grater than the length of the ship. DESTINATION AND ESTIMATED TIME OF ARRIVAL In the sample of AIS reports with static information received, 49% contained errors in the ETA field. The most frequently occurring incorrect AIS entries were: a number string instead of destination, country name instead of port name. There are cases when ETA or destination field was reported: not available, not defined, or blank. B. THE STATISTICAL ANALYSIS OF AIS INFORMATION ACCORDING TO N. BAILEY At the same time i.e. in the year 2005, similar research of AIS information has been conducted in Dover Strait.. Dover Strait appears to be narrow and high traffic intensity channel area. Therefore, it proves to be extremely dangerous area, where a reliable and complete navigational information is required. The research has been conducted by Dover Coastguard Channel Navigation Information Service (CNIS), at the VTS area, within a 7-day period [2]. The studies on reliability and completeness of AIS information have been conducted by the comparison of two sources of information. Static information and voyage related data have been compared to verbal information. Verbal information has been reported at the Channel 16 (156,8 MHz) to VTS operators upon the entrance to and the departure from VTS area, respectively. It was assumed that information transmitted by radiotelephone is reliable, whereas AIS information may contain errors. Resea rch details were divided into categories depending on transmitted information. Percentage depiction of AIS static information has been presented in Fig 2. 48

49 The integrity of the navigation information received by means of AIS Fig. 2. AIS static information errors transmitted by AIS mobile equipment [2] Obtained results of the research confirmed the thesis that, most frequently, the information concerning draught and destination is reported incorrectly. Information about draught is subject to an error of less than or equal to 1 m. In addition, Bailey research provided the knowledge on AIS dynamic information errors. In this area, course and speed information errors have been observed. When applying comparison methods it is possible to examine the quality of AIS dynamic information by comparing it with RADAR dynamic information. However, this methodology may be questioned, since the accuracy of course and speed determined by VTS sources is relatively of poorer quality than by GPS sensors. In 5 cases, the difference in course between RADAR and AIS dynamic information amounted to 180 degrees. Presumably, the deviation concerned 2 different ships considered as 1 ship. Mistakes have been made by VTS operators. C. END-USER SATISFACTION MODEL As far as the latest research is concerned, the limitations of AIS information reliability are attributed to static information inserted manually by AIS operators. The data on information transmitted automatically by navigational sensors are modest. However, it does not mean that dynamic information is more reliable. It is rather more complex to investigate AIS dynamic information reliability. In [10], different approach to AIS information research was presented. The assessment of system acceptance has been conducted. As it was shown, AIS 49

50 Andrzej Felski, Krzysztof Jaskólski system is imperfect. End User Satisfaction Model (EUSM) has been adopted from management research. EUSM is based on multiple regression coefficients, defining various factors. It was assumed that the main source of perceived AIS information errors are human errors divided into 5 groups, namely: operator failures AIS system users, installation failures, design failures, training and management failures, regulatory failures. The main part of the assessment of perceived usefulness is a questionnaire with questions divided into groups. According to [1], the main X ij variables in the model are: System Quality (SQ) concerns the level of the complexity of data gathering, the time of system response, information accuracy and reliability; Self-Efficacy (S-E) ability to perform tasks successfully, with the estimation of the degree of efforts required in challenging situations; Perceived Usefulness concerns the degree to which an individual believes that using a particular system will enhance a job performance; Perceived Ease of Use concerns the degree of the system use with simultaneous reduction of exploitation problems. SYSTEM QUALITY PERCEIVED USEFULNES END-USER SATISFACTION SELF-EFFICACY PERCEIVED EASE OF USE Fig. 3. End-User Satisfaction Model [1] Variables are interconnected in different ways, as it was presented in fig. 3. End-User Satisfaction Model enhances considerably AIS information assessment, since the model concerns not only reliability. However, the model has its drawbacks subjectivity of the questioned person. In addition, the assessment does not include the quality of AIS dynamic information. This type of assessment requires independent measurements and for this reason it will not be performed by the users. 50

51 The integrity of the navigation information received by means of AIS CONCLUSIONS The knowledge on AIS information reliability is relatively low and therefore it can hardly be considered objective. It should be taken into consideration that the knowledge was obtained in the period of rapid implementation of the system. It resulted in the lack of operators training in AIS maintenance and it is potentially the source of many cases of improper system working. Efficiency of navigation system, including AIS, can be assessed using the value of processed information error. The errors concern incorrectly reported position, course, speed or non-quantitative factors i.e. human factor errors. Thus, a question arises what is or what will the AIS reliability level be in the future? The following questions stems from the previous one what tools can potentially be applied in AIS reliability studies? The assessment of information reliability can be based on the assumption that the transfer of navigational information between the system users may be treated with similar approach as the assessment of the reliability of devices. In this case, the process of information transfer resulting in the delivery of reliable information to the user may be treated as the functioning of information channel, similarly to other devices. The process can be examined using the theory of reliability, developed in [5, 7, 11, 12]. REFERENCES [1] Adamsom I., Sine J., Extending the New Technology Acceptance Model to Measure the End User Information Systems Satisfaction in a Mandatory Environment: A Bank s Treasury. Technology Analysis & Strategic Management, Vol. 15, No. 4, pp , [2] Bailey N., Training, technology and AIS: Looking Beyond the Box, Proceedings of the Seafers International Research Centre s, 4th International Symposium Cardiff University, pp , [3] Drozd W. et all, Operational status of Polish AIS network, Advances in marine navigation and safety of sea transportation, Akademia Morska, Gdynia, [4] Felski A,. Implementation of AIS in air pollution investigations European Navigation Conference GNSS 07, pp , Geneva, [5] Felski A., Jakubowski B., Niezawodność systemu nawigacyjnego w kontekście przetwarzania informacji, Zeszyty Naukowe AMW nr 1, pp. 5-21, Gdynia [6] Felski A., Piaseczny L., Monitoring of the Movement of the Objects on the Gdanska Bay in Order to Recognize the Characteristics of their Main Propulsion Systems, Proceedings of the Congress PTNSS, pp , Kraków,

52 Andrzej Felski, Krzysztof Jaskólski [7] Jakubowski B., Niezawodnościowe aspekty przetwarzania informacji w zintegrowanym systemie nawigacyjnym, Praca doktorska, AMW, Gdynia [8] Jaskólski K. Ocena wpływu wprowadzenia systemu AIS na bezpieczeństwo żeglugi na Bałtyku, Praca magisterska, AMW, Gdynia [9] Harati-Mokhtari A. et all, Automatic Identification System (AIS): A Human Factors Approach, Liverpool John Moores University, Journal Navigation [10] Harati-Mokhtari A. et all, AIS Contribution in Navigation Operation-Using AIS User Satisfaction Model, 7 th International Symposium on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation. Akademia Morska, pp , Gdynia, [11] Specht C., Availability, Reliability and Continuity of Differential GPS Transmision, Annual of Navigation, no 5, Polish Academy of Sciences, Gdynia, [12] Trautenberg H. L., Alternative Galileo Space vs. Grodnu Segment Weighting and Impact on Architecture and Performance, European Navigation Conference GNSS 05, pp. -, 413_Prezentacja, Monachium 2005 [13] Vorobiev A., Electronic Chart Systems Type Approval and Functionality Aspects, Conference AIS/05 Seattle, Transas Technologies Ltd, St.Peterburg, WIARYGODNOŚĆ INFORMACJI NAWIGACYJNEJ PRZEKAZYWANEJ ZA POŚREDNICTWEM SYSTEMU AIS Odbiornik systemu automatycznej identyfikacji statkowej staje się powszechnie stosowanym urządzeniem wymiany informacji nawigacyjnej na wszystkich statkach. Załogi jednostek pływających coraz częściej wykorzystują dane pochodzące z odbiorników AIS. Pomimo faktu, iż zaufanie użytkowników do informacji pochodzącej z odbiorników AIS stale zwiększa się, występują przypadki ograniczenia wiarygodności raportów transmitowanych przez ten system. W niniejszym artykule przedyskutowano problem wiarygodności oraz stopień zaufania użytkowników do dostarczonej przez AIS informacji. Recenzent: dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW 52

53 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A Aleksander Nowak, Dariusz Szulc MONITOROWANIE MAŁYCH, SZYBKO PORUSZAJĄCYCH SIĘ OBIEKTÓW STATYCZNE i DYNAMICZNE POMIARY ZASIĘGU PRACY RADIOMODEMÓW Poniższy artykuł prezentuje wyniki pomiarów transmisji danych poprzez radiomodemy zintegrowane z odbiornikami GPS. Testowe transmisje zostały przeprowadzone w wariancie statycznym nadajnik i odbiornik nie poruszają sie, oraz w wariancie dynamicznym nadajnik jest w ruchu. WSTĘP Funkcjonowanie na współczesnym teatrze działań bojowych, zarówno lądowym, jak i morskim, wymaga znajomości aktualnej i dokładnej lokalizacji obiektów, co jednocześnie stanowi warunek konieczny skutecznego i efektywnego planowania i realizacji wielu zadań. Dotyczy to zarówno pojazdów jak i pojedynczych żołnierzy. Wykorzystywane w technice militarnej obiekty szybko poruszające się wymagają wielokrotnie większej niż dotychczas szybkości określania ich lokalizacji, parametrów ruchu (wektora stanu), jak również wielokrotnie większej precyzji określania tychże parametrów. Istniejące rozwiązania techniczne zapewniające określanie współrzędnych przestrzennych obiektów poruszających się opierają się głównie o satelitarne systemy pozycjonowania (GPS), które przy swojej powszechnej dostępności zapewniają globalny zasięg. Prostota konstrukcji oraz niski koszt naziemnych odbiorników GPS umożliwiły wykorzystanie ich na skalę masową w różnych dziedzinach działalności technicznej człowieka. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom została podjęta próba skonstruowania miniaturowych odbiorników GPS w technice RTK wraz z transmisją radiową rejestrowanej pozycji do centrum monitorowania wektora ruchu badanego obiektu. Miniaturowy odbiornik musi posiadać dwie cechy: dokładność pozycji oraz jej transmisję. W dalszej części została opisana procedura testowania modułów łączności. 53

54 Aleksander Nowak, Dariusz Szulc ZESTAW POMIAROWY GPS - RADIOMODEM ODBIORNIK GPS W pomiarach wykorzystano zestaw GPS/RTK firmy NovAtel, oparty na modułach OEMV-1. O wyborze zestawu zadecydowały parametry techniczne, cena oraz fakt, że firma posiada swoje przedstawicielstwo w Polsce, które zapewnia pomoc techniczną i merytoryczną związaną z zastosowaniami praktycznymi modułów. NovAtel OEMV-1 jest wysokowydajnym silnikiem GPS zawierającym opatentowaną technologię Vision Correlator, wsparcie dla programistów (API) oraz zintegrowaną obsługę korekcji OmniStar. OEMV-1 oferuje jednoczęstotliwościowe RTK o dokładności wyznaczeń <20 cm i cechuje się niskim poborem mocy. Wygląd płytki przedstawiono na poniższym rysunku. Rys. 1. Odbiornik NovAtel OEMV-1 Technika RT-20 zastosowana w odbiorniku, jest bardzo skuteczną i wiarygodną techniką RTK zapewniającą 20 cm dokładność wyznaczeń dynamicznych, z częstotliwością 20 Hz. TRANSMISJA RADIOWA DANYCH POMIAROWYCH Ze względu na wymiary oraz wagę układu zdecydowano się na rozwiązania w technologii ZigBee. Podstawową właściwością tej technologii jest możliwość retransmisji danych między skrajnymi węzłami sieci zorganizowanej w topologii mesh. Węzły, które nie mogą się ze sobą bezpośrednio komunikować (np. węzły krańcowe sieci), przesyłają do siebie dane wykorzystując węzły wewnętrzne sieci do przekazania danych do węzła docelowego. Zasada pracy jest analogiczna do routingu znanego z sieci IP. Umożliwi to w przyszłości monitorowanie nie jednego, ale większej liczby obiektów szybkich na większym obszarze. Technologię 54

55 Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne protokołu ZigBee zaprojektowano tak, aby spełnić następujące wymagania: Mały pobór mocy. Łatwość użycia. ZigBee posiada tylko dwa tryby pracy: aktywny (wysyłanie/odbiór sygnału) oraz stan uśpienia. W ten sposób aplikacje nie muszą wybierać odpowiedniego trybu w zależności od potrzeb transmisji dzieje się to niezależnie. Niskie koszty. Możliwość obsługi bardzo dużej liczby urządzeń. Chociaż zasięg urządzeń wykonanych w technologii ZigBee jest rzędu 100 m to wykorzystując układy XBeePro firmy MaxStream można zwiększyć go kilkukrotnie (w terenie otwartym nawet do 1.6 km). Na rys. 3.1 pokazano układy XBeePro z różnymi wersjami anten. Rys. 2. Moduły XBeePro z różnymi wersjami anten Rys. 3. Układ modemu radiowego z modułem XBeePro 55

56 Aleksander Nowak, Dariusz Szulc ZigBee jest stosem protokołów opartych na standardzie IEEE , opisującym warstwę fizyczną (PHY Physical Layer) oraz warstwę dostępu do medium (MAC Medium Access Control Layer). Zatwierdzony w roku 2003 standard IEEE definiuje prosty lecz silny protokół pakietowy o następujących właściwościach: wysoka niezawodność poprzez potwierdzanie odbioru, mechanizmy zapewniające integralność i poufność transmisji, transmisja z rozpraszaniem widma metodą sekwencji bezpośredniej, łączność oparta na priorytetach, zdolność zmiany częstotliwości dla uniknięcia interferencji. Do zapewnienia transmisji danych z urządzeń GPS wykorzystane zostaną modemy z modułami XBeePro (rys. 3.2.). Ich podstawowe parametry to: Zasięg: wewnątrz budynków do 100m, na zewnątrz do 1.6 km, Częstotliwość pracy: 2,4000 2,4835 GHz, Moc wyjściowa: 60 mw (18 dbm), Czułość odbiornika: dbm, Liczba kanałów: 12 kanałów z rozpraszaniem bezpośrednim (wybór kanału - programowo), Max. transfer danych: 250 Kb/s, Porty we/wy: 3V CMOS UART, Zakres napięć zasilających: 2,8 3,4 V, Pobór prądu: nadawanie 215 ma ; odbiór 55 ma (@ 3.3 V), Wymiary: cm x cm. INTEGRACJA MODUŁU GPS I RADIOMODEMU Płytka odbiornika GPS oraz modułu radiowego zostały umieszczone w jednej obudowie z wyprowadzoną anteną radiową, złączem do podłączenia anteny GPS oraz zasilaniem. Rys. 4. Integracja odbiornika GPS oraz radiomodem 56

57 Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne POMIARY TRANSMISJI RADIOWYCH DANYCH POMIAROWYCH antena A24-HABUF-P51 radiomodem z anteną A24-HABUF-P51 Rys. 5. Różne typy anten radiomodemów moduł XBeePro z anteną typu Whip Do transmisji radiowych użyto radiomodemów z dwoma typami anten (rys. 6). POMIARY STATYCZNE ZASIĘGÓW ŁĄCZNOŚCI Pomiarów zasięgów łączności radiomodemów dokonano z wykorzystaniem oprogramowania X-CTU umożliwiającego konfigurację radiomodemów. Rys. 6. Schemat układu do pomiaru zasięgu łączności 57

58 Aleksander Nowak, Dariusz Szulc Pomiary z dwoma różnymi antenami: położenie modemu nr 1 (antena A24-HABUF-P51) - pkt. A, φ 0 = 54 36,2846 N λ 0 = ,1652 E. φ5 = 54 36,3063 N λ5 = 18 25,5825 E φ0 = 54 36,2846 N λ0 = 18 27,1652 E Dmax = 1698 m B A Rys. 7. Rozmieszczenie punktów pomiarowych w terenie cz. 1 W wyniku pomiarów otrzymano procentowy udział poprawnie otrzymanej transmisji danych na zadanej odległości. Tab. 1. Położenie modemu nr 2 (antena typu Whip) pkt. B L.p Pozycja modemu nr 2 φ 1 = 54 36,2892 N λ 1 = 18 27,0569 E φ 2 = 54 36,2954 N λ 2 = 18 26,9352 E φ 3 = 54 36,2897 N λ 3 = 18 26,7951 E φ 4 = 54 36,2953 N λ 4 = 18 26,6547 E φ 5 = 54 36,2918 N λ 5 = 18 26,5013 E φ 6 = 54 36,2950 N λ 6 = 18 26,2839 E odległośd [m] Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar % 100 % 100 % % 100 % 99 % % 100 % 99 % % 100 % 100 % % 100 % 98 % % 40 % 21 % 58

59 Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne Pomiary z dwoma identycznymi antenami (antena A24-HABUF-P51) położenie modemu nr 1: φ 0 = 54 36,2864 N λ 0 = 18 27,1652 E Tab. 2. Położenie modemu nr 2 (antena A24-HABUF-P51) pkt. B L.p Pozycja modemu nr 2 φ 1 = 54 36,2870 N λ 1 = 18 26,7337 E φ 2 = 54 36,2940 N λ 2 = 18 26,3032 E φ 3 = 54 36,2988 N λ 3 = 18 25,9945 E φ 4 = 54 36,3006 N λ 4 = 18 25,7549 E φ 5 = 54 36,3063 N λ 5 = 18 25,5825 E odległośd [m] Pomiar 1 Pomiar 2 Pomiar % 100 % 100 % % 99 % 99 % % 100 % 100 % % 98 % 93 % % 100 % 100 % Rys. 8. Pomiary w terenie POMIARY DYNAMICZNE Rysunek poniżej przedstawia rozmieszczenie punktów pomiarowych w trakcie pomiarów dynamicznych, w których samochód poruszał sie pomiędzy punktami A-C. 59

60 Aleksander Nowak, Dariusz Szulc φ1 = 54 36,3043 N λ1 = ,0380 E φ0 = 54 36,2823 N λ0 = ,7512 E φ2 = 54 36,2845 N λ2 = ,2413 E 766,1 m 525,7 m A B C Rys. 9. Rozmieszczenie punktów pomiarowych w terenie cz. 2 Zebrane wyniki pomiarowe procentowo poprawnie odebranych bloków danych przedstawiają dwie poniższe tablice. Tab. 3. Poruszający się samochód na odcinku A-C. L.p. prędkośd [km/h] popr. odebrane bloki danych odległośd A B odległośd A C % nieodebrane popr. nieodebra- bloki odebrane ne bloki danych bloki danych danych poprawnie odebranych bloków % % % Tab. 4. Poruszający się samochód na odcinku C A. L.p. prędkośd [km/h] odległośd C B odległośd C A % poprawnie ode- popr. odebrane bloki bloki dabrane bloki branych blo- nieodebrane popr. ode- nieodebrane bloki danych danych nych danych ków % % % % 60

61 Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne WNIOSKI 1) W wyniku przeprowadzonych pomiarów otrzymano zadowalające zasięgi poprawnej pracy radiomodemów zarówna na małej antenie powyżej 700 m jak i na dużej na poziomie 1700 m. Warunkiem poprawnej transmisji jest wzajemna widoczność anten. 2) Nie odnotowano wpływu prędkości poruszającego się obiektu na jakość transmisji danych zarówno w trakcie zbliżania jak i oddalania od stacji bazowej przy prędkościach do 120 km/h. 3) Podstawowym problemem pracy stacji ruchomej staje się zasilanie. Przy maksymalnych mocach nadawczych bateria 9V o pojemności 300 mah zapewniała zasilanie przez ok. 4.5 minuty. W przyszłości należy przeprowadzić odpowiedni dobór mocy nadawczej do spodziewanych zasięgów pracy stacji ruchomej. LITERATURA [1] FRNP, (1990), Federal Radio Navigation Plan, Document DOT-VNTSC-RSPA- 90-3/DOD , U.S. Depts. Of Transportation and Defense. [2] Nikiforov I., (2003), Multi-Sensor Integrated Navigation Systems Integrity Monitoring, Proceedings of the International Technical Meeting of the Institute of Navigation, ION GPS-03 [3] Brown R.G., (1996), Receiver Autonomous Integrity Monitoring, Global Positioning System: Theory and Applications, vol. II. SMALL AND FAST MOVING OBJECTS MONITORING. STATIC AND KINEMATIC MEASUREMENTS OF RADIOMODEMS RANGE The paper presents the measurements results of data transmission with usage of radiomodems integrated with GPS receivers. Tests of transmissions were done is static variant transmitter and receiver did not move and in kinematic one transmitter was moving. Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Felski 61

62 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A

63 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A Dariusz SZULC ANALIZA OBRAZÓW SONAROWYCH DLA ZAPEWNIENIA BEZPIECZNEGO POSTOJU STATKU W PORCIE W artykule zaprezentowano wykonane rejestracje sonarowe uzyskane za pomocą sonaru stacjonarnego MS Przeprowadzona analiza zapisanych obrazów dowodzi możliwości detekcji małych obiektów zalegających w basenie portowym a mogących jednocześnie stanowić potencjalne zagrożenie dla cumujących tam statków. WSTĘP Transport morski odgrywa znaczącą rolę w gospodarce światowej. Szacuje się, ze drogą morską dokonywane jest ponad 80% międzynarodowej wymiany handlowej. Surowce pokrywające 50% popytu Europy zachodniej na ropę naftową transportowane są na statkach. Niebagatelne znaczenie obiektów portowych i jednostek pływających sprawia, że coraz częściej znajdują się one na celowniku organizacji uznawanych za terrorystyczne. W warunkach dobrej ochrony celów lądowych i powietrznych, która została szczególnie zintensyfikowana po atakach na prestiżowe obiekty w USA we wrześniu 2001 roku, jest wysoce prawdopodobnym, że współczesny i przyszłościowy terroryzm skupi się na atakowaniu celów morskich, w szczególności żeglugi handlowej i pasażerskiej. Użycie przez terrorystów środków ataku na morzu wiąże się nie tylko z koniecznością usuwania skutków ataku, lecz pociąga za sobą konieczność zamknięcia danego akwenu lub portu. Ustawa z dnia 4 września 2008 r. o ochronie żeglugi i portów morskich 1 nakłada na administrację polskich portów obowiązek postępowania w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa pracy portu zgodnie z wymaganiami określonymi między innymi w Kodeksie ISPS. Punkt 14.2 Kodeksu zawiera wykaz działań nie- 1 Dz.U. z 2008 r. Nr 171, poz

64 Dariusz Szulc zbędnych do zapewnienia ochrony obiektu portowego. Wśród nich wymieniono między innymi monitorowanie obiektu portowego, włączając w to kotwicowiska i miejsca cumowania. Potencjalnym zamachom można przeciwdziałać czynnie, poprzez dokładne sprawdzanie jednostek i ich załóg, stały monitoring kotwicowisk i portów morskich, lub biernie, dokonując kontroli dna morskiego. Przeciwdziałanie czynne polegałoby na wyeliminowaniu możliwości implementacji środka rażenia przez terrorystów. Zdecydowanie prostszym i tańszym jest przeciwdziałanie bierne, które sprowadza się do monitoringu dna morskiego i stwierdzenia, czy działanie terrorystów miało miejsce, czy też nie (co schematycznie oddaje rysunek 1). Rys.1. Koncepcja działania hydroakustycznego systemu do walki z zagrożeniem terrorystycznym w portach Cz. 1 - do portu weszła i zacumowała jednostka podejrzana terrorystyczna (z elementami czerwonymi), z której dziobowej części pokładu stawiana jest mina morska. Cz. 2 - jednostka podejrzana odcumowała i wyszła z portu. Mina morska stoi na dnie i oczekuje na swój cel (w zależności od zapalnika). Cz. 3 - dno morskie w rejonie postoju jednostki podejrzanej poddawane jest kontroli. Cz. 4 -do portu wchodzi i zacumowuje jednostka zagrożona - cel ataku terrorystycznego (z elementami zielonymi). Jej bezpieczny postój jest zapewniony. O niedostatecznym stopniu kontroli nad podwodną częścią akwenów portów może świadczyć zdarzenie z 22 grudnia 2008 roku. Z dna basenu portowego Portu Gdynia wyłowiono wrak samochodu, wykryty przypadkowo kilka dni wcześniej za pomocą sonaru, użytego tam w innym celu. Na uwagę zasługuje jednak fakt, że wrak ten leżał na dnie na głębokości 8 m przez około pół roku. Oznacza to, 64

65 Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne że przez cały ten czas nie dostrzeżono w bezpośrednim sąsiedztwie nabrzeży portowych i cumującym tam jednostek nieznanego, leżącego na dnie basenu portowego obiektu o wymiarach ponad 4 m x 1,5 m x 1,3 m. Prowadząc systematyczną kontrolę hydroakustyczną basenów portowych opartą na cyfrowej analizie zarejestrowanych obrazów sonarowych możemy skutecznie walczyć z pojawiającym się niebezpieczeństwem ataków na statki stojące w porcie. Podstawą takiej analizy jest porównanie zapisu dna zgromadzonego w sonarowej bazie danych z zapisami wykonanymi podczas bieżącej kontroli. SPRZĘT I WYPOSAŻENIE DO POMIARÓW W BASENIE PORTOWYM Przed przystąpieniem do pomiarów przygotowano 3 imitatory obiektów niebezpiecznych przedstawione poniżej. a) b) c) Rys 2. Imitatory celów a) Cel nr 1. metalowa beczka duża b) Cel nr 2. metalowa beczka mała c) Cel nr 3 metalowa rura Do rejestracji obrazów sonarowych wykorzystano sonar stacjonarny MS 1000 pracujący na częstotliwości 675 khz (rys. 3). 65

66 Dariusz Szulc Rys. 3. Sonar opuszczany MS 1000 PRZEPROWADZONE POMIARY I ANALIZA ZAREJESTROWANYCH OBRAZÓW SONAROWYCH Prace pomiarowe prowadzono w uzgodnieniu z Kapitanatem Portu Gdynia w rejonie Nabrzeża Polskiego. Dla potrzeb pomiarów w akwenie zatopiono 3 obiekty testowe. Prace realizowano w dobrych warunkach pogodowych (wiatr E-1, brak falowania, prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie określona na podstawie pomiaru rzeczywistego C=1475m/s). Pozycjonowanie sonaru za pomocą odbiornika DGPS. W wyniku pomiarów otrzymano sonarową rejestrację testowanych obiektów. Przykładowe, zarejestrowane obrazy wraz z ich analizą prezentują kolejne rysunki. a) b) Rys. 4. Detekcja małych obiektów na dnie basenu portowego a) potencjalny obiekt niebezpieczny? b) wykryty obiekt to opona 66

67 Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne ` el 2 C el 1 C Rys. 5. Zobrazowanie celu nr 1 i 2 dla zakresu pomiarowego do 40 m el 1 C el 3 C Rys. 6. Zobrazowanie celu nr 1 i 3 dla zakresu pomiarowego do 20 m 67

68 Dariusz Szulc PODSUMOWANIE Wykorzystanie sonaru opuszczanego do zdobywania informacji o obiektach na dnie morza, wymaga od operatora przestrzegania szeregu zasad jego właściwego użycia. Sonar opuszczany, aby zapewnić obraz o wymaganej rozdzielczości, nie może poruszać się względem dna. Utrzymanie sonaru w pozycji stacjonarnej może być trudne na akwenie, na którym występują silne prądy. Wówczas operatorzy stosują opuszczanie sonaru na statywie w postaci trójnogu. Takie rozwiązanie zapewnia też ochronę głowicy sonaru przed ryzykiem uszkodzenia go o konstrukcje, które mogą znajdować się na dnie. Ze względu na geometrię wiązki sonarowej, dla uzyskania odpowiadającego oczekiwaniom operatora obrazu sonarowego dna morskiego głowica powinna znajdować się na wysokości nad dnem rzędu 1 m. Jednak sonar opuszczany, nazywany również sonarem skanującym, może być używany pozycji innej niż pionowa. Za jego pomocą, przy ustawieniu pod odpowiednim kątem do skanowanej powierzchni, możliwe jest przeprowadzenie na przykład inspekcji konstrukcji podwodnych czy też podwodnych elementów nabrzeży portowych. Sonogram uzyskany za pomocą sonaru opuszczanego, ze względu na zastosowanie nie przemieszczającej się, obracającej się anteny przedstawia obszar dna ograniczony okręgiem o promieniu równym zasięgowi sonaru umieszczonego w jego środku. Możliwe jest określenie sektorów skanowania, wówczas antena obraca się tylko w pewnych określonych przez operatora kątach. Z uwagi na otrzymywanie sonogramów przedstawiających obraz akwenu dookoła sonaru, w promieniu równym jego zasięgowi, ważny jest dobór punktów opuszczania głowicy tak, aby przy znajomości geometrii wiązki fal akustycznych zapewnić wymagane pokrycie obszaru dna akwenu. Przy sprawdzaniu określonej szerokości pasa akwenu wzdłuż nabrzeża należy właściwie dobrać odległości punktów na nabrzeżu, z których opuszczany będzie sonar LITERATURA [1] Kubiak K., Współczesne wyzwania bezpieczeństwa europejskiego. Bernardinum, Gdańsk 2004; [2] Bovio E., NATO Undersea Research Centre; [3] Grabiec D., Auld S., Maritime hydrography in anti-terorist operations in seaports, Materiały XIV Konferencji Naukowo-Technicznej Rola nawigacji w zabezpieczeniu działalności ludzkiej na morzu, CD-R, Gdynia 2004, s , (18 listopada 2004 r.) [4] Grabiec D., Szatan M., Wykorzystanie środków hydrograficznych w procesie badania stanu zanieczyszczenia środowiska morskiego, Materiały 68

69 Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne VIII Konferencji Morskiej Aspekty bezpieczeństwa nawodnego i podwodnego oraz lotów nad morzem, Gdynia 2005, s [5] Grabiec D., Lokalizacja i zobrazowanie obiektów podwodnych za pomocą hydrograficznych środków hydroakustycznych wybrane problemy, Polish Hyperbaric Resarch 2005, nr 2(10), s SONAR IMAGE ANALYZE FOR SAFETY OF SHIPS DOCKING IN SEA HARBOURS In the following article have been presented sonar images which were registered by stationary sonar MS 1000 type. The conducted analysis of registered images proves the possibility of the small objects detection laid inside the harbour which can posses a potential threat for moored ships. Recenzent: dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW 69

70 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A

71 F O R U M N A W I G A C J I Z I M A Karolina Chorzewska Improwizowane ładunki wybuchowe jako zagrożenie dla jednostek w portach morskich Scenariusz ataku terrorystycznego w postaci umieszczenia improwizowanego ładunku wybuchowego (IED) na dnie basenu portowego w pobliżu cumującego statku można uznać za prawdopodobny. Wykorzystanie do tego celu nie budzących podejrzeń zasobników o rożnych kształtach, stanowić może zagrożenie infrastruktury portowej, statku, załogi i ładunku. Uznając taki scenariusz za możliwy, należy udzielić odpowiedzi na pytania: Jaka ilość materiału wybuchowego jest niezbędna do uszkodzenia celu ataku? Jakie uszkodzenia a priori wywoła określona ilość materiału wybuchowego dla różnej wielkości jednostek pływających? W odpowiedzi, dokonano analizy różnych rodzajów pojemników. W dalszej części na podstawie obliczeń strefy rażenia ładunku wybuchowego - dokonano oszacowania zakładanych uszkodzeń jednostki pływającej będącej celem ataku. WSTĘP Po zamachu na World Trade Centre z 11 września 2001 roku zaczęto zwracać szczególną uwagę na problem ochrony antyterrorystycznej obiektów ważnych dla gospodarki państwa. Do takich obiektów zaliczyć można porty morskie. Niedostateczne ich zabezpieczenie przed zagrożeniem terrorystycznym prowadzi do narażania na niebezpieczeństwo infrastruktury portowej, jednostek cumujących w porcie oraz ludzi i ładunku na ich pokładach. O obowiązku właściwej ochrony obiektów portowych mówi między innymi Międzynarodowy kodeks ochrony statku i obiektu portowego, zwany Kodeksem ISPS (ISPS Code - International Ship and Port Facility Security Code), wprowadzony w 2002 roku jako poprawka do Konwencji SOLAS. Administracje portów dostosowują swoje działania do wymogów Kodeksu. Stosowane obecnie rozwiązania nie zapewniają jednak pełnej ochrony przed każdego rodzaju zagrożeniem. Z pokładu zacumowanej jednostki możliwe byłoby na przykład umieszczenie obiektu niebezpiecznego (zasobnika z materiałem wybuchowym) na dnie basenu portowego i zdetonowanie go, gdy w danym miejscu znajdzie się inna jednostka cel ataku. 71

72 Karolina Chorzewska Opracowanie systemu ochrony portu przed zagrożeniem, wynikającym z możliwości zatopienia w basenie portowym niebezpiecznego obiektu, wymaga określenia cech, jakimi z dużym prawdopodobieństwem będą charakteryzować się te obiekty. Do przeprowadzenia ataku terrorystycznego na jednostki zacumowane w porcie lub obiekty infrastruktury portowej z dużym prawdopodobieństwem zostałby wykorzystany improwizowany ładunek wybuchowy (IED Improvised Explosive Device) w postaci zasobnika wypełnionego materiałem wybuchowym. Zasobnikiem może być dowolny pojemnik (skrzynka, beczka, itp.), prosty, nierzucający się w oczy i niebudzący podejrzeń, powszechnie stosowany na statkach i w portach. Musi jednak być na tyle pojemny, aby pomieścić wystarczającą do rażenia celu ilość materiału wybuchowego. Jakie przedmioty spełniają te warunki? Jaka ilość materiału wybuchowego jest niezbędna do rażenia celu, jakim w tym wypadku byłaby mała lub duża jednostka pływająca? Aby odpowiedzieć na te pytania przeanalizowano możliwości wypełnienia kilku przykładowych pojemników materiałami wybuchowymi. Posłużono się materiałami wykorzystywanymi w górnictwie i pracach minerskich.. Najpopularniejszym materiałem wybuchowym stosowanym w pracach minerskich jest trotyl (TNT). Dzięki swoim właściwościom (mała wrażliwość na impulsy mechaniczne i wysoką temperaturę, praktyczna nierozpuszczalność w wodzie) trotyl zapewnia bezpieczeństwo eksploatacji dając możliwość uzyskania znacznej siły niszczącej. Jednocześnie jest materiałem stosunkowo łatwym do zdobycia. Do dalszej analizy wybrano więc ten właśnie rodzaj ładunku wybuchowego. CHARAKTERYSTYKA WYBRANYCH POJEMNIKÓW Pomiary i obliczenia przeprowadzono dla dwóch z sześciu pojemników, wykonanych z różnych materiałów (rys.1). Pojemniki takie można znaleźć na wyposażeniu każdej jednostki pływającej. Mają szerokie zastosowanie. Nie wzbudzają podejrzeń i są przydatne w różnego rodzaju pracach na pokładach jednostek i w porcie. Mogą jednak stać się zasobnikami do przechowywania materiałów wybuchowych. W pomiarach wykorzystano następujące pojemniki: 1. Skrzynia amunicyjna duża 72

73 Improwizowane ładunki wybuchowe jako zagrożenie dla jednostek w portach. Rys. 1. Skrzynia amunicyjna duża Tab. 1 Charakterystyka skrzyni amunicyjnej dużej. Skrzynia amunicyjna duża Wymiary zewnętrzne 24 cm x 26 cm x 102 cm wewnętrzne 20 cm x 22 cm x 98 cm Rodzaj materiału drewno Rodzaj pokrycia farba olejna Pojemność 0,043 m 3 kostka 1000 g 60 kg Masa ładunku materiału wybuchowego kostka 500 g 64 kg kostka 200 g 100 kg 2. Skrzynia amunicyjna mała Rys. 2. Skrzynia amunicyjna mała 73

74 Karolina Chorzewska Tab. 2. Charakterystyka skrzyni amunicyjnej małej. Skrzynia amunicyjna mała Wymiary zewnętrzne 35 cm x 40 cm x 13 cm wewnętrzne 31 cm x 30 cm x 9 cm Rodzaj materiału drewno Rodzaj pokrycia - Pojemnośd 0,008 m 3 Masa ładunku materiału kostka 1000 g 10 kg wybuchowego kostka 500 g 15 kg kostka 200 g 18 kg WYZNACZENIE STREFY RAŻENIA ŁADUNKU MATERIAŁU WYBUCHOWEGO Strefa rażenia ładunku materiału wybuchowego to obszar przestrzeni wodnej otaczającej ładunek, którego detonacja spowoduje co najmniej określony z góry rodzaj uszkodzeń jednostki znajdującej się w tym obszarze. Przyjmując, że strefa rażenia wokół ładunku materiału wybuchowego ma kształt kulisty, wielkością ją opisującą jest promień rażenia. Najprostsze, ale najmniej dokładne wyznaczenie promienia rażenia umożliwia następująca empiryczna zależność: gdzie: RBG [kg]: gdzie: q e rb 3 (1) cmo q e masa ekwiwalentna ładunku materiału wybuchowego q e k q (2) k współczynnik (ekwiwalent) trotylowy, dla trotylu k = 1 q masa rzeczywista ładunku materiału wybuchowego [kg]. c mo wartość oczekiwana tzw. współczynnika rażenia, oznaczającego względną gęstość energii wybuchu podwodnego. 74

75 Improwizowane ładunki wybuchowe jako zagrożenie dla jednostek w portach. Tab. 3. Wartości oczekiwane współczynnika rażenia w przypadku uszkodzeń okrętu nawodnego [Litwin 1990]. Wartośd oczekiwana współczynnika c mo Rodzaj uszkodzenia okrętu nawodnego przy wybuchu przy wybuchu poddennym burtowym Deformacja kadłuba i nieszczelności 0,005 0,09 Przebicie zewnętrznego poszycia kadłuba 0,009 0,50 Przebicia pierwszej grodzi wzdłużnej albo drugiego dna 0,09 0,25 2,0 Przebicia drugiej grodzi albo trzeciego dna i dalsze uszkodzenia wewnętrzne 6,5 4,6 Do obliczeń wykorzystano wartości współczynnika rażenia c mo odpowiadające wybuchom burtowym (rys. 8). Wybuch poddenny (pod stępką) rzadko występuje w rzeczywistości. Rozumiany w ten sposób promień rażenia jest zależny od masy ładunku wybuchowego i rodzaju uszkodzeń, jakie ten ładunek może spowodować przy detonacji pod kadłubem w odległości r b od niego. Rys. 3. Położenie IED względem jednostki przy wybuchu poddennym i burtowym Wyznaczając promień rażenia IED należy jednak uwzględnić fakt, że detonacja ładunku nie następuje w nieograniczonej przestrzeni wodnej, ale na dnie basenu portowego. Część energii wybuchu podwodnego ulegnie więc odbiciu od dna, reszta przejdzie do gruntu jako denna fala ciśnieniowa. 75

76 Karolina Chorzewska Wpływ dna morskiego uwzględnia się wprowadzając współczynnik denny (k d), za pomocą którego korygowana jest masa ekwiwalentna ŁMW: q ' k q (3) e d e Wartość współczynnika dennego teoretycznie zawiera się w przedziale od 0 do 2. Zakres wartości od 0 do 1 dotyczy ładunków zagrzebanych w dnie morskim (rys. 9). Współczynnik k d równy 2 oznacza dno absolutnie twarde, wtedy odbiciu ulega połowa energii wybuchu. W praktyce takiego dna nie rozpatruje się. Wartości współczynnika dennego w zależności od rodzaju dna przedstawiono w tabeli 8. Rys. 4. Przedziały wartości współczynnika dennego k d dla ładunku leżącego na dnie i zagrzebanego w osadach dennych Tab. 4 Wartości współczynnika dennego [Litwin 1990]. Rodzaj dna Wartośd współczynnika dennego k d Kamieniste 1,8 O średniej gęstości (glina z piaskiem, żwir) 1,6 Lżejszy grunt (ił, piasek, grys) 1,4 Dla akwenów portowych przyjęto wartość współczynnika dennego równą 1,6 i tak skorygowaną masę ekwiwalentną podstawiono do wzoru 76