PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Transkrypt

1 AKADEMIA MORSKA W GDYNI Nr ewidencyjny... Data wydania tematu... Data złożenia pracy... Wyrażam zgodę / nie wyrażam zgody na udostępnianie mojej pracy dyplomowej WYDZIAŁ NAWIGACYJNY Katedra Nawigacji.. data podpis PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Dyplomant: inż. Mariusz Specht Numer albumu: Specjalność: Technologie offshorowe Promotor: prof. dr hab. inż. kpt. ż.w. Adam Weintrit Ocena: Recenzent: dr Sambor Guze Ocena: Egzamin dyplomowy: Temat: Wyznaczanie współrzędnych punktów linii podstawowej morza terytorialnego RP Zakres: Charakterystyka linii podstawowej morza terytorialnego Światowy System Geodezyjny WGS 84 Hydrograficzny pomiar głębokości Analiza porównawcza metod wyznaczania przebiegu linii podstawowej wybrane uwarunkowania metod pomiaru Dyplomant... Promotor... Dziekan...

2 imię i nazwisko Gdynia, dnia OŚWIADCZENIE Świadomy odpowiedzialności prawnej oświadczam, że złożona praca magisterska pt.: Wyznaczanie współrzędnych punktów linii podstawowej morza terytorialnego RP została napisana przeze mnie samodzielnie. Równocześnie oświadczam, że w pracy wykorzystano tylko cytowaną literaturę a więc praca nie narusza praw autorskich w rozumieniu ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz.U. z 1994 r. nr 24 poz. 83) oraz dóbr osobistych chronionych prawem cywilnym. Ponadto praca nie zawiera informacji i danych uzyskanych w sposób nielegalny i nie była wcześniej przedmiotem innych procedur urzędowych związanych z uzyskaniem dyplomów lub tytułów zawodowych uczelni wyższej. Oświadczam ponadto, że niniejsza wersja pracy jest identyczna z załączoną wersją elektroniczną na płycie CD. Na podstawie art kodeksu postępowania administracyjnego wnoszę o odebranie tego oświadczenia jako dowodu prawdziwości okoliczności w nim podatnych, przy czym jestem świadomy odpowiedzialności karnej z art i 6 k.k. za złożenie fałszywego oświadczenia. podpis 2

3 Streszczenie Celem niniejszej pracy było dokonanie analizy porównawczej współczesnych metod pomiarowych stosowanych w hydrografii i geodezji, które umożliwiają wyznaczenie współrzędnych punktów linii podstawowej morza terytorialnego. W pracy zaprezentowano charakterystykę linii podstawowej morza terytorialnego, omówiono obowiązujące na świecie zasady jej wyznaczania oraz określania granicy państwowej na morzu. Ponadto przedstawiono układy odniesienia stosowane w geodezji i hydrografii oraz relacje między nimi, a także opisano i porównano metody przeprowadzania pomiarów hydrograficznych i geodezyjnych oraz sposób opracowywania danych pomiarowych, przy wyznaczaniu linii podstawowej morza terytorialnego. Na przestrzeni ostatnich kilku lat nastąpił bardzo dynamiczny rozwój technik pomiarowych związanych zarówno z wielosystemowym pozycjonowaniem satelitarnym GNSS, jak i wykorzystaniem pływających jednostek bezzałogowych, o kilku centymetrowym zanurzeniu. W związku z tym, autor niniejszej pracy zaproponował koncepcję systemu automatycznej nawigacji bezzałogowej jednostki hydrograficznej, wykorzystującej geodezyjne sieci satelitarne GNSS dla pomiarów batymetrycznych akwenów ultra-płytkich. Może on zastąpić dotychczasowe, klasyczne metody wyznaczania linii podstawowej polegające np. na bezpośrednim pomiarze realizowanym przez geodetów na profilach dokonywanych w toni morskiej. Ponadto przeprowadzono pomiary mające na celu wyznaczenie przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego RP na przykładzie plaży miejskiej w Gdyni. W oparciu o uzyskane dane pomiarowe stworzono planszet przedstawiający cyfrowy model terenu (DTM). Słowa kluczowe: linia podstawowa, morze terytorialne, WGS 84, hydrograficzny pomiar głębokości, bezzałogowa jednostka hydrograficzna. 3

4 Abstract The purpose of the thesis was to employ the comparative analysis of contemporary measurement methods used in hydrography and geodesy, which allow to determine the coordinates of the territorial sea baseline. The paper introduces the characteristics of the territorial sea baseline, discusses the international valid rules concerning the determination of the baseline and external limit of the territorial sea. Furthermore, the thesis presents reference systems implemented in hydrography and geodesy, as well as the relation between the two. The paper further describes and compares the measurement methods, both hydrographic and geodetic, and the means of measurement data elaboration while marking the territorial sea baseline. Over the last few years, the measurement techniques, including multi-gnss positioning and unmanned surface vessels (several cm immersion drones), have been rapidly developing. Due to this fact, the author of this thesis has offered the concept of an automatic unmanned navigation system of a hydrographic unit, which uses GNSS networks to measure the bathymetric ultra-shallow waters. The system can successfully replace the previous, standard methods of marking the baseline, e.g. in a direct measurement realized by surveyors, performed on the profiles in the depths of the sea. Furthermore, measurements have been carried out in order to determine the Polish territorial sea baseline along the Gdynia's public beach. Afterwards, a DTM was created, based on the data received. Keywords: territorial sea baseline, territorial sea, WGS 84, hydrographic depth measurement, unmanned survey vessel. 4

5 Spis treści Wprowadzenie... 6 Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów Charakterystyka linii podstawowej morza terytorialnego Konwencja UNCLOS Definicja linii podstawowej i morza terytorialnego Zasady wyznaczania linii podstawowej Zasady wyznaczania zewnętrznej granicy morza terytorialnego Linia podstawowa i granica zewnętrzna morza terytorialnego RP Światowy System Geodezyjny WGS Geneza powstania i przeznaczenie Definicja układu Parametry elipsoidy WGS Pole normalne siły ciężkości Ziemi Powierzchnie odniesienia stosowane w geodezji i hydrografii oraz relacje między nimi Hydrograficzny pomiar głębokości Rozwój metod i urządzeń do pomiaru głębokości Błędy pomiaru głębokości Systemy pozycjonowania pomiarów hydrograficznych Wymagania dokładnościowe dla realizacji pomiarów hydrograficznych w strefie przybrzeżnej Analiza porównawcza metod wyznaczania przebiegu linii podstawowej wybrane uwarunkowania metod pomiaru Klasyczne metody pomiarów hydrograficznych Metody pomiarów geodezyjnych Wykorzystanie bezzałogowej jednostki hydrograficznej Jednostki bezzałogowe w hydrografii Wymagania sprzętowe stawiane bezzałogowym jednostkom dla pomiaru linii podstawowej Oprogramowanie geodezyjne i hydrograficzne Metodyka realizacji pomiaru Wyznaczanie przebiegu linii podstawowej metodą geodezyjnych pomiarów GNSS Metoda, aparatura i akwen Opracowanie danych i wyniki pomiarów Podsumowanie i wnioski końcowe Literatura Wykaz rysunków Wykaz tabel

6 Wprowadzenie Matematyczne określenie przebiegu linii podstawowej jest warunkiem koniecznym dla ustalenia granicy zewnętrznej morza terytorialnego będącej granicą państwową. Od jej wyznaczania zależy przede wszystkim określenie zasięgu suwerennych praw poszczególnych państw [Wolny, 2004]. W przypadku Polski, problem pomiaru przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego można rozpatrywać w aspektach: prawnym oraz pomiarowym. W sensie prawnym aktualny przebieg granic polskich obszarów morskich ustalają krajowe akty prawne przedstawione w [Ustawa, 2015]. Biorąc pod uwagę jedynie przytoczone daty dokumentów w powyższej ustawie ( r.) oraz zmienność warunków hydrologicznych akwenu Morza Bałtyckiego można uznać, iż państwo polskie nie dysponuje dziś aktualnym zbiorem danych geograficznych ustalającym przebieg morskiej granicy państwa. Przytoczoną tezę potwierdzono w publikacji [Wolny, 2004], gdzie czytamy: pomimo upływu lat, morze terytorialne nadal jest ugorem geodezyjnym i kartograficznym. Dotychczas na świecie wyznaczono zaledwie około 200 z 430 granic stref morskich, co stanowi mniej niż połowę wszystkich granic [Klein, 2014]. Pozostałe granice są zdefiniowane w sposób niewłaściwy pod względem: technicznym, niejasnego położenia, dyskusji politycznych i ekonomicznych [Kabziński, Weintrit, 2008]. W sensie pomiarowym dokumentem regulującym zasady prowadzenia prac hydrograficznych, w tym również pomiarów linii podstawowej, jest standard IHO S-44 [IHO, 2008]. W tym dokumencie nie zdefiniowano jednak sposobu wyznaczania przebiegu linii podstawowej oraz nie przypisano tego typu pomiarom minimalnych wymagań dokładnościowych. Ponadto żadna z instytucji (urzędy morskie, Dywizjon Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej RP) odpowiedzialnych za realizację pomiarów linii podstawowej w Polsce nie dysponuje aktualnie jednostką hydrograficzną zdolną do realizacji pomiarów na akwenach ultra-płytkich (dla głębokości poniżej 1 m). Przez wiele lat problem pomiaru przebiegu linii podstawowej polskiego morza terytorialnego można było rozpatrywać w aspekcie kompetencyjnym, gdzie do końca listopada 2015 r. nie rozwiązano podziału zadań pomiędzy: administracją morską (urzędami morskimi), Biurem Hydrograficznym Marynarki Wojennej (BHMW) 6

7 oraz Głównym Urzędem Geodezji i Kartografii (GUGiK) [Ustawa, 2015]. Skutkowało to brakiem skoordynowanych działań w tym zakresie, których spektakularną egzemplifikacją był Raport Najwyższej Izby Kontroli [NIK, 2013]. Stwierdzono w nim o: niewypracowaniu mechanizmów i instrumentów umożliwiających dokonywanie ocen osiągania celów określonych w ustawie z dnia 23 marca 2003 r. o ustanowieniu wieloletniego programu ochrony brzegów morskich, dotyczących głównie zapewnienia stabilizacji linii brzegowej (w porównaniu do stanu z 2000 r.) [Ustawa, 2003]. Najważniejszym problemem wpływającym bezpośrednio na przebieg granicy morskiej jest przyjmowanie przez państwa nadbrzeżne różnych poziomów odniesienia dla pomiaru wysokość (tzw. zero mapy ). Stosowanie niejednolitych układów odniesienia wysokości oraz ich czasowo-przestrzenna zmiana może spowodować: przesunięcie linii brzegowej, a zarazem zmianę położenia granicy państwa, konieczność sporządzenia nowych map batymetrycznych, hydrograficznych oraz zaistnienie konfliktów między krajami (przy odmiennych poziomach odniesienia). Dlatego ze względu na bezpieczeństwo nawigacji, większość narodowych biur hydrograficznych oraz Międzynarodowa Organizacja Hydrograficzna (ang.: International Hydrographic Organization IHO) przyjmuje za zero mapy najniższy pływ astronomiczny (ang.: Lowest Astronomical Tide LAT) [Calderbank i inni, 2006]. W związku z powyższym, zasadnym było podjęcie tematu pracy: Wyznaczanie współrzędnych punktów linii podstawowej morza terytorialnego RP. Celem niniejszej pracy jest dokonanie analizy porównawczej współczesnych metod pomiarowych stosowanych w hydrografii i geodezji, które umożliwiają wyznaczanie współrzędnych punktów linii podstawowej morza terytorialnego. Aby zrealizować cel główny pracy należało rozważyć następujące cele cząstkowe: 1. Dokonać charakterystyki linii podstawowej morza terytorialnego z punktu widzenia formalno-prawnego; 2. Omówić obowiązujące na świecie zasady wyznaczania linii podstawowej i granicy państwowej na morzu; 3. Przedstawić powierzchnie odniesienia stosowane w geodezji i hydrografii oraz relacje między nimi, które pozostają w ścisłym związku z przebiegiem linii podstawowej morza terytorialnego; 7

8 4. Opisać i porównać metody przeprowadzania pomiarów hydrograficznych i geodezyjnych oraz sposób opracowywania danych pomiarowych, przy wyznaczaniu linii podstawowej morza terytorialnego; 5. Zaproponować rozwiązanie techniczno-pomiarowe optymalne z punktu widzenia realizacji wyznaczania linii podstawowej; 6. Przeprowadzenie pomiarów mających na celu wyznaczenie przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego RP oraz opracowanie danych pomiarowych. Dla realizacji celu pracy została podzielona na cztery rozdziały o następujących treściach: Rozdział I Linia podstawowa morza terytorialnego, w którym omówiono Konwencję Narodów Zjednoczonych o prawie morza (ang.: United Nations Convention on the Law of the Sea UNCLOS), zdefiniowano linię podstawową i morze terytorialne państwa oraz opisano zasady wyznaczania linii podstawowej i zewnętrznej granicy morza terytorialnego. Ponadto w tej części obliczono, w oparciu o oprogramowanie ArcGIS, rzeczywistą powierzchnię morza terytorialnego oraz długość granicy morskiej RP. Rozdział II Światowy System Geodezyjny WGS 84, w którym omówiono genezę powstania, przeznaczenie, parametry elipsoidy WGS 84 oraz pole normalne siły ciężkości Ziemi. W tym rozdziale przedstawiono również powierzchnie odniesienia stosowane w geodezji i hydrografii oraz relacje matematyczne między nimi, niezbędne dla dalszych analiz realizowanych w pracy. Rozdział III Hydrograficzny pomiar głębokości, w którym przedstawiono rozwój urządzeń i metod służących do pomiaru głębokości na przestrzeni wieków. Omówiono współczesne rozwiązania w tym zakresie. Zaprezentowano główne źródła błędów pomiaru głębokości oraz minimalne wymagania dokładnościowe stawiane poszczególnym kategoriom pomiarów hydrograficznych według normy IHO-S 44 wraz z systemami pozycyjnymi mogącymi znaleźć zastosowanie w tego typu pomiarach. Rozdział IV Analiza porównawcza metod wyznaczania przebiegu linii podstawowej wybrane uwarunkowania metod pomiaru jest częścią omawiającą współczesne metody realizacji pomiaru linii podstawowej morza terytorialnego, w której zwrócono szczególną uwagę na istniejące ograniczenia techniczne oraz szczególne uwarunkowania realizacyjne. Opisano w niej aspekty wykonawcze 8

9 oraz techniczne pomiarów hydrograficznych i geodezyjnych związane z tego typu pomiarem. Dodatkowo zaproponowano rozważenie wykorzystania do tego celu bezzałogowej jednostki hydrograficznej, dla której ustalono optymalną konfigurację techniczną aparatury, wymagania sprzętowe oraz technikę realizacji pomiaru. Ponadto wyznaczono przebieg linii podstawowej morza terytorialnego RP na przykładzie plaży miejskiej w Gdyni przy wykorzystaniu odbiornika GNSS. 9

10 Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów a duża półoś elipsoidy WGS 84 ALB/ALH Airborne Lidar Bathymetry/Airborne Lidar Hydrography (laserowy system batymetryczny/hydrograficzny) AMG Akademia Morska w Gdyni AMW Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni ArcGIS pakiet programów przeznaczony do pracy na danych GIS (Systemów Informacji Przestrzennej) ASG-EUPOS Aktywna Sieć Geodezyjna EUPOS ASV Autonomous Survey Vessel (autonomiczna jednostka pływająca) b mała półoś elipsoidy WGS 84 BDS BeiDou Navigation Satellite System (chiński system nawigacji satelitarnej) BHMW Biuro Hydrograficzne Marynarki Wojennej BHS Baltic High System (system wysokości oparty o Kronsztad) CAD Computer Aided Design (projektowanie wspomagane komputerowo) CD Chart Datum (zero mapy) CLCS Commission on the Limits of the Continental Shelf (Komisja Granic Szelfu Kontynentalnego) CTRS Conventional Terrestrial Reference System (Umowny (Konwencjonalny) Ziemski System Odniesienia) c w prędkość dźwięku w sondowanym akwenie d głębokość akwenu DGPS Differential Global Positioning System (różnicowy GPS) d r zapas wody pod stępką DRMS Distance Root Mean Square (pierwiastek sumy kwadratów błędów średniokwadratowych wyznaczonych względem φ, λ, (h)) DTM Digital Terrain Model (numeryczny model terenu) EGM96, EGM 08 Earth Gravitational Model (globalne modele geopotencjału) EUREF Regional Reference Frame Sub-Commission for Europe (jedna z podkomisji w IAG utworzona dla opracowania jednolitego geodezyjnego układu odniesienia dla Europy za pomocą pomiarów GPS) EVRS European Vertical Reference System (Europejski Wysokościowy System Odniesienia) f spłaszczenie elipsoidy WGS 84 G stała grawitacji Galileo europejski system nawigacji satelitarnej GLONASS GLObalnaja NAwigacionnaja Sputnikowaja Sistiema (rosyjski globalny system nawigacyjny) 10

11 GM GNSS GPS GRS 80 GUGiK GUS h H HMS H N IAG IAU IERS IHO IMGW ISA ITLOS LAT MBES mgal MLLWS MRU MSL N NAP NIK NIMA Nm NMEA P PKN geocentryczna stała grawitacyjna Ziemi Global Navigation Satellite System (globalny system nawigacji satelitarnej) Global Positioning System (globalny system pozycyjny) Geodetic Reference System 1980 (Geodezyjny System Odniesienia z 1980 r.) Główny Urząd Geodezji i Kartografii Główny Urząd Statystyczny wysokość elipsoidalna wysokość ortometryczna Her (His) Majesty's Ship (okręt Jej (Jego) Królewskiej Mości) wysokość normalna International Association of Geodesy (Międzynarodowa Asocjacja Geodezji) International Astronomical Union (Międzynarodowa Unia Astronomiczna) International Earth Rotation and Reference Systems Service (Międzynarodowa Służba Ruchu Obrotowego Ziemi i Systemów Odniesienia) International Hydrographic Organization (Międzynarodowa Organizacja Hydrograficzna) Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej International Seabed Authority (Międzynarodowa Organizacja Dna Morskiego) International Tribunal for the Law of the Sea (Międzynarodowy Trybunał Prawa Morza) Lowest Astronomical Tide (najniższy pływ astronomiczny) MultiBeam EchoSounder (echosonda wielowiązkowa) jednostka siły ciężkości stosowana w grawimetrii Mean Lower Low Water Springs (średnia z najniższych wód niskich syzygijnych) Motion Reference Unit (kompensator zakłóceń ruchu) Mean Sea Level (średni poziom morza) undulacja geoidy (odstęp geoidy od elipsoidy) Normaal Amsterdams Peil (system wysokości oparty o Amsterdam) Najwyższa Izba Kontroli National Imagery and Mapping Agency (Narodowa Agencja ds. Kartografii i Obrazów) Nautical Mile (mila morska) National Maritime Electronic Associoation (protokół transmisji danych wykorzystywany przez odbiorniki GPS) ciśnienie Polski Komitet Normalizacyjny 11

12 PRS Polski Rejestr Statków R promień krzywizny Ziemi RMS Root Mean Square (odchylenie standardowe błędu średniokwadratowego wyznaczonego względem ϕ, λ, lub h) RP Rzeczpospolita Polska RTCM Radio Technical Commission for Maritime Service (Radiotechniczna Komisja ds. Służb Morskich) RTK Real Time Kinematic (pomiary GNSS w czasie rzeczywistym) S zasolenie SBES Single Beam EchoSounder (echosonda jednowiązkowa) t czas przebiegu impulsu do dna i z powrotem T temperatura THU Total Horizontal Uncertainty (maksymalny dopuszczalny błąd poziomy) TVU Total Vertical Uncertainty (maksymalny dopuszczalny błąd pionowy) UNCLOS United Nations Convention on the Law of the Sea (Konwencja Narodów Zjednoczonych o prawie morza) USA United States of America (Stany Zjednoczone Ameryki) USV Unmanned Survey Vessel (bezzałogowa jednostka pływająca) UTM Universal Transverse Mercator (odwzorowanie uniwersalne poprzeczne Merkatora) V potencjał grawitacyjny Ziemi w. wiek WGS World Geodetic System (Światowy System Geodezyjny) α kąt nachylenia dna γ przyspieszenie normalne na powierzchni elipsoidy ekwipotencjalnej γ h przyspieszenie normalne na wysokości h ponad elipsoidą θ kąt odchylenia wiązki odbiorczej od linii pionu λ długość elipsoidalna ξ anomalia wysokości ϕ szerokość elipsoidalna ω prędkość kątowa obrotu Ziemi 12

13 1. Charakterystyka linii podstawowej morza terytorialnego 1.1. Konwencja UNCLOS Podstawowym dokumentem w dziedzinie prawa morza jest Konwencja UNCLOS z dnia 10 grudnia 1982 r. Jest ona najbardziej obszerną, wielostronicową umową w historii publicznego prawa międzynarodowego (obejmuje łącznie 320 artykułów i 9 aneksów) [Calderbank i inni, 2006]. Kwestie związane z prawem morza były wcześniej regulowane przez prawo zwyczajowe oraz Konwencje Genewskie z 1958 r. i z 1960 r. [CIM, 2011]. W wyniku prac nad Konwencją UNCLOS dokonano kodyfikacji dotychczasowych przepisów (m.in. przepisy dotyczące morza terytorialnego i morza otwartego) oraz wprowadzono nowe regulacje obejmujące sposoby eksploracji, badania i ochrony poszczególnych obszarów morskich [Bierzanek, Symonides, 2008]. W Konwencji określono również inne pojęcia bezpośrednio związane z morską granicą państwa, takie jak: prawo pościgu, prawo wizyty i rewizji, czy piractwo. Prawo pościgu to prawo przysługujące właściwym władzom państwa nadbrzeżnego stosowane wobec jednostek, które mogły naruszyć przepisy prawne tego państwa (art ) [Ustawa, 1990], (art. 111) [UNCLOS, 1982]. Z kolei prawo wizyty i rewizji jest wykonywane wyłącznie przez okręt wojenny innego państwa na morzu otwartym, jeżeli istnieje uzasadnione podejrzenie, że obca jednostka zajmuje się: piractwem, handlem niewolnikami, nadawaniem nielegalnych audycji itd. (art ) [UNCLOS, 1982]. Natomiast piractwo morskie jest definiowane jako każdy bezprawny akt przemocy, pozbawienia wolności, grabieży czy groźby dokonany na morzu pełnym, poza granicami jurysdykcji państwowej (art. 3) [Ustawa, 1988], (art. 101) [UNCLOS, 1982]. Ponadto na jej mocy utworzono: Międzynarodową Organizację Dna Morskiego (ang.: International Seabed Authority ISA), Międzynarodowy Trybunał Prawa Morza (ang.: International Tribunal for the Law of the Sea ITLOS) oraz Komisję Granic Szelfu Kontynentalnego (ang.: Commission on the Limits of the Continental Shelf CLCS). Pierwsza z wyżej wymienionych organizacji (ISA) prowadzi działalność w zakresie badania i eksploracji zasobów na obszarach znajdujących się poza granicami jurysdykcji państwowej na dnie mórz i oceanów oraz w ich podziemiach (art. 157). Kolejna z nich (ITLOS) rozstrzyga spory dotyczące interpretacji lub stosowania 13

14 niniejszej Konwencji (aneks VI). Ostatnia z nowo utworzonych organizacji (CLCS) wydaje zalecenia państwom, które chcą wyznaczyć zewnętrzną granicę szelfu kontynentalnego w odległości 200 Nm od linii podstawowej (art. 3 aneksu II) [UNCLOS, 1982]. W dniu 6 listopada 1998 r. Polska jako jeden z 166 krajów zatwierdziła powyższą Konwencję. Dotychczas zaledwie 31 państw nie dokonało ratyfikacji tej umowy, a są nimi [DOALOS, 2016]: państwa, które podpisały Konwencję, lecz jej nie ratyfikowały (15): Afganistan, Bhutan, Burundi, Kambodża, Republika Środkowoafrykańska, Kolumbia, Salwador, Etiopia, Iran, Korea Północna, Libia, Liechtenstein, Rwanda, Zjednoczone Emiraty Arabski, Stany Zjednoczone; państwa, które nie podpisały Konwencji (16): Andora, Azerbejdżan, Erytrea, Izrael, Kazachstan, Kirgistan, Peru, San Marino, Sudan Południowy, Syria, Tadżykistan, Turcja, Turkmenistan, Uzbekistan, Watykan, Wenezuela. Na podstawie powyższych danych wykonano w programie AutoCAD mapę świata przedstawiającą państwa będące stronami Konwencji o prawie morza i kraje niebędące jej stronami (Rys. 1.1). Rys Mapa przedstawiająca państwa będące stronami Konwencji o prawie morza i państwa niebędące jej stronami (opracowanie własne na podstawie: [DOALOS, 2016]) 14

15 Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że Stany Zjednoczone Ameryki (ang.: United States of America USA) nie podpisały Konwencji mimo, że brały udział w pracach przygotowawczych. Podstawą do jej odrzucenia w USA był rozdział XI dotyczący obszarów znajdujących się poza granicami jurysdykcji państwowej na dnie mórz i oceanów oraz w ich podziemiach. Zgodnie z Konwencją wyłączne prawo do badań i eksploracji tego obszaru miała ISA, co nie odpowiadało polityce Stanów Zjednoczonych. Chociaż USA nie były stroną Konwencji, to przestrzegały one jej postanowień w sprawie tradycyjnego korzystania z obszarów morskich [Józefowicz, 2006]. W 1983 r. decyzją prezydenta Ronalda Reagana utworzono największą na świecie 200 Nm wyłączną strefę ekonomiczną (proklamacja nr 5030), a cztery lata później poszerzono wody terytorialne z 3 do 12 Nm ze względu na bezpieczeństwo narodowe (proklamacja nr 5928) [Remy, 1992]. Dopiero w 1994 r. Stany Zjednoczone podpisały porozumienie w sprawie implementacji części XI Konwencji, modyfikujące wcześniejsze jej postanowienia (przychylne stronie amerykańskiej) [Rufe, 2003]. Natomiast niektóre państwa w ogóle nie podpisały Konwencji ze względu na zobowiązania prawno-międzynarodowe, ale też położenie geograficzne i geostrategiczne. Przykładowo państwa Ameryki Łacińskiej (Peru, Wenezuela) nie zgadzają się ze sposobem delimitacji obszarów morskich. Jest to przede wszystkim spowodowane ograniczeniem praw suwerennych do obszaru o szerokości 12 Nm. Ponadto nie chcą, aby gremia międzynarodowe rozstrzygały problemy dotyczące obszarów morskich. Przyczyną takiego podejścia może być fakt, że są to kraje nadbrzeżne, które wiążą swój rozwój gospodarczy z eksploracją zasobów naturalnych oraz z handlem morskim. Z kolei jako państwa postkolonialne są szczególnie przywiązane do swojej suwerenności [CIM, 2011]. W celu właściwej interpretacji niniejszej Konwencji należy przytoczyć (pod względem prawnym) pojęcia suwerenności i jurysdykcji. Zgodnie z prawem międzynarodowym pierwsze z nich oznacza zdolność państwa do samodzielnego, niezależnego od innych podmiotów, sprawowania władzy nad określonym terytorium. Natomiast jurysdykcja to uprawnienie posiadane przez dany podmiot do rozpoznawania i rozstrzygania danej kategorii spraw [Calderbank i inni, 2006]. W kontekście przywołanych pojęć można dokonać klasyfikacji obszarów morskich na (w każdej strefie przysługują odmienne uprawnienia państw) [Stefańska, 2012]: 15

16 1. obszary należące do terytorium państwa: morskie wody wewnętrzne; morze terytorialne; 2. obszary leżące poza terytorium państwa, gdzie państwo może wykonywać ograniczoną jurysdykcję (określone prawa suwerenne): strefa przyległa; wyłączna strefa ekonomiczna; szelf kontynentalny; 3. obszary leżące poza terytorium państwa, niepodlegające jego jurysdykcji: morze otwarte; dno mórz i oceanów. W celu uregulowania uprawnień władczych państw na obszarach morskich niezbędne jest precyzyjne wyznaczenie granic (delimitacja) stref morskich w oparciu o tzw. linie podstawowe Definicja linii podstawowej i morza terytorialnego Zgodnie z prawem międzynarodowym delimitacja oznacza ustalenie przebiegu granicy między państwami. W odniesieniu do obszarów morskich państwo może wytyczyć cztery rodzaje granic: morza terytorialnego, strefy przyległej, wyłącznej strefy ekonomicznej oraz szelfu kontynentalnego [Połatyńska, 2012]. Dla potrzeb niniejszej pracy zostanie przeanalizowana jedynie pierwsza z tych granic. Wyznaczanie stref jurysdykcji państw jest obecnie jednym z najważniejszych problemów w stosunkach międzynarodowych. Strefy morskie wobec niemal definitywnego utrwalenia granic lądowych pozostają główną walką o terytorium między państwami. Na Rys przedstawiono relacje pomiędzy poszczególnymi rodzajami granic obszarów morskich. Wskazuje on również, że bez ustalenia przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego nie jest możliwym wyznaczenie granic państw nadmorskich. 16

17 Rys Granice obszarów morskich (opracowanie własne na podstawie: [Calderbank i inni, 2006; Kabziński, Weintrit, 2008]) Praktycznie we wszystkich najważniejszych przepisach dotyczących tematyki morskiej można spotkać się z dwoma rodzajami linii podstawowych. Pierwsza z nich to zwykła linia podstawowa, która została zdefiniowana jako: linia najniższego stanu wody wzdłuż wybrzeża, oznaczona na mapach o dużej skali uznanych oficjalnie przez państwo nadbrzeżne (art. 5) [UNCLOS, 1982]. Ten typ linii stosuje się w przypadku brzegu, który jest ukształtowany regularnie. Druga z nich to prosta linia podstawowa, która może być stosowana: w miejscach, gdzie linia wybrzeża jest bardzo wygięta i wcina się w głąb lądu albo gdzie wzdłuż wybrzeża w jego bezpośrednim sąsiedztwie znajduje się łańcuch wysp, tam, gdzie wskutek istnienia delty lub innych warunków naturalnych linia wybrzeża jest w dużym stopniu niestała (art. 7) [UNCLOS, 1982]. Zatem linię tą wykorzystuje się wyłącznie w przypadku, gdy rzeźba wybrzeża jest urozmaicona. Należy zauważyć, że mapy batymetryczne i nawigacyjne o dużej skali to takie, których mianownik wynosi od do (w zależności od wydawnictwa) oraz zastosowano w nich odwzorowania: walcowe równokątne Mercatora lub stożkowe konforemne Lamberta [Beazley, 1994]. Ponadto przyjmowanie przez państwa nadbrzeżne różnych poziomów odniesienia (zero mapy) może wpływać bezpośrednio na przebieg granicy morskiej. 17

18 Przykładowo w Holandii dokonano zmiany poziomu odniesień linii podstawowej ze średniej z najniższych wód niskich syzygijnych (ang.: Mean Lower Low Water Springs MLLWS) na najniższy pływ astronomiczny. Spowodowało to wysunięcie linii brzegowej, a zarazem zwiększenie powierzchni lądowej (Rys. 1.3) [Kwanten, Elema, 2007]. Stąd można uznać, że stosowanie niejednolitych poziomów odniesienia oraz ich zmiana może spowodować: przesunięcie linii brzegowej, a zarazem zmianę położenia granicy państwa; obowiązek sporządzenia nowych map batymetrycznych oraz nawigacyjnych (przy zmianie); zaistnienie konfliktów między państwami (przy odmiennych poziomach odniesienia). Rys Zmiana poziomu odniesienia na przykładzie Holandii (opracowanie własne na podstawie: [Kwanten, Elema, 2006]) Ze względu na bezpieczeństwo nawigacji, większość narodowych biur hydrograficznych oraz Międzynarodowa Organizacja Hydrograficzna przyjmuje za zero mapy najniższy pływ astronomiczny [Calderbank i inni, 2006]. Jest to najniższy poziom pływu, którego wystąpienie można określić na podstawie średnich warunków meteorologicznych oraz przy dowolnej kombinacji warunków astronomicznych (Rys. 1.4) [Rozporządzenie, 2011]. Natomiast zero mapy to poziom morza poniżej którego woda nie opada oraz głębokości wskazane na mapie nie są zbyt płytkie (wiąże się to ze zbyt nisko przyjętym poziomem odniesienia) [Farboud, 2012]. W celu jego wyznaczenia wykorzystuje się mapy nawigacyjne, które wykonano na podstawie wieloletnich pomiarów [Beazley, 1994]. 18

19 Istotne z punktu widzenia dokładności wyznaczania granic jest określenie powierzchni odniesienia. Na przestrzeni lat państwa stosowały różne powierzchnie, co powodowało spore rozbieżności między współrzędnymi geograficznymi tego samego punktu. Aby tego uniknąć jako światowy system odniesienia przyjęto elipsoidę obrotową WGS 84 (zostanie omówiona w kolejnym rozdziale). Jest ona podstawową powierzchnią odniesienia w systemach nawigacji satelitarnej takich jak: GPS (ang.: Global Positioning System), GLONASS (ros.: GLObalnaja NAwigacionnaja Sputnikowaja Sistiema), BDS (ang.: BeiDou Navigation Satellite System) oraz Galileo [Calderbank i inni, 2006]. Rys Relacje między poziomami odniesienia (opracowanie własne na podstawie: [Kwanten, Elema, 2006; Rozporządzenie, 2011]) Morze terytorialne stanowi pas wód przylegających do wybrzeży lub wód wewnętrznych, w którym dane państwo sprawuje władzę (w tym zwłaszcza stosuje swoje prawodawstwo). Pod względem prawnym jest ono częścią morskiego terytorium danego kraju (wspólnie z wodami wewnętrznymi i archipelagowymi). W porównaniu z terytorium lądowym państwa nadbrzeżnego na takim akwenie obowiązuje dodatkowo prawo nieszkodliwego przepływu. Polega ono na zapewnieniu żeglugi statkom wszystkich bander, przy czym przepływ powinien być nieprzerwany i szybki. Dla Polski i wszystkich państw nadbałtyckich morze terytorialne rozciąga się pasem o szerokości 12 Nm licząc od linii podstawowej [Bugajski, 2009]. 19

20 1.3. Zasady wyznaczania linii podstawowej Sposób wyznaczania linii podstawowej uzależniony jest od ukształtowania wybrzeża. Jeżeli linia brzegowa jest urozmaicona, to państwo może wyznaczyć proste i zwykłe linie stanowiące linie podstawowe w przypadku występowania na jego wybrzeżu następujących form geograficznych [Calderbank i inni, 2006; DOS, 1987; Połatyńska, 2008; UNCLOS, 1982; United Nations, 1958; United Nations, 1989; United Nations, 2000]: cieśniny w przeciwieństwie do kanału, nie można jej zaliczyć do morskich wód wewnętrznych. Wyjątkowo można zamknąć cieśninę między wyspą a lądem, jeśli istnieje możliwość żeglugi wokół wyspy; kanału można go zamknąć (tzn. zaliczyć go do morskich wód wewnętrznych), ale jeżeli dotychczas przejście takim kanałem było otwarte dla statków innych państw, to należy je zapewnić (przejście tranzytowe); państwa archipelagowego jest to państwo obejmujące co najmniej jeden archipelag oraz inne wyspy (stosunek powierzchni wód do terytorium lądowego wynosi od 1:1 do 9:1). Proste linie podstawowe określane są przez punkty stanowiące zewnętrzną granicę wysp wchodzących w skład archipelagu. Długość takich linii nie powinna przekraczać 100 Nm (maksymalnie 3% ogólnej liczby linii podstawowych może mieć większą długość, nieprzekraczającą jednak 125 Nm); portu przy określaniu granic morza terytorialnego za część wybrzeża uważa się wysunięte najdalej w morze stałe urządzenia portowe stanowiące integralną część systemu portowego. Przybrzeżnych instalacji sztucznych wysp nie uważa się za stałe urządzenia portowe; rafy dla wysp położonych na atolach lub wysp obramowanych rafami (np. Wyspy Marshalla, Luizjady) wewnętrzną granicę morza terytorialnego stanowi linia najniższego stanu wody przy rafie od strony morza; ujścia rzeki linię podstawową stanowi linia prosta łącząca punkty wytyczające to ujście na jej brzegach przy najniższym stanie wody; wyspy jeżeli są one położne w bliskości wybrzeża, wtedy można objąć linia podstawowymi (np. Lofoty), jeżeli wyspy leżą dalej od brzegu, mogą posiadać własne morze terytorialne, o ile są zamieszkałe (np. Jan Mayen). Ponadto 20

21 metoda prostych linii podstawowych może być stosowana, gdy wzdłuż wybrzeża w jego bezpośrednim sąsiedztwie (3-48 Nm) znajduje się łańcuch wysp. Na Rys. 1.5 zaprezentowano łańcuch wysp, który nie może być objęty prostymi liniami podstawowymi wyspy leżą prostopadle do brzegu; Rys Łańcuch wysp, który nie może być objęty prostymi liniami podstawowymi (opracowanie własne na podstawie: [United Nations, 1989]) wzniesienia wynurzające się z wody tylko podczas odpływu jest to taki obszar lądu (utworzony w sposób naturalny), który znajduje się poniżej poziomu wody podczas odpływu. Jeżeli wzniesienie znajduje się całkowicie (Rys 1.6 pkt. A) lub częściowo (Rys. 1.6 pkt. B) na obszarze morza terytorialnego, to przy takim wzniesieniu można wyznaczyć linię podstawową przy najniższym stanie wody. W przeciwnym razie (Rys. 1.6 pkt. C) obszar taki nie znajduje się na obszarze własnego morza terytorialnego; Rys Wzniesienia wynurzające się z wody tylko podczas odpływu (opracowanie własne na podstawie: [Beazley, 1978]) 21

22 zatoki w myśl Konwencji jest to wgłębienie linii brzegowej, której powierzchnia jest równa lub większa od powierzchni półkola o średnicy równej linii poprowadzonej w poprzek naturalnego wejścia do tego wgłębienia, przy najniższym stanie wody (Rys. 1.7a, 1.7b). W przypadku, gdy wewnątrz zatoki znajdują się wyspy, to również ich powierzchnię wlicza się do całkowitej powierzchni tego wgłębienia (Rys. 1.7c). Jeżeli odległość między punktami tworzącymi naturalne wejście do zatoki, przy najniższym stanie wody, nie przekracza 24 Nm, to można między tymi dwoma punktami wytyczyć prostą linię podstawową zamykającą zatokę (Rys. 1.7a, 1.7b, 1.7c). Gdy odległość ta jest większa niż 24 Nm, to wewnątrz zatoki wytycza się prostą linię podstawową o długości 24 Nm w taki sposób, aby zamknąć nią możliwie największy obszar wody (Rys. 1.7d). Powyższe zalecenie nie dotyczy tzw. zatok historycznych, które mogą być szersze (np. Morze Białe, Zatoka Hudsona). Rys Graficzna interpretacja art. 10 Konwencji UNCLOS (opracowanie własne na podstawie: [Calderbank i inni, 2006]) 22

23 Wyznaczenie linii podstawowej zatok i ujść rzek jest szczególnie trudne na obszarach gdzie występują wysokie pływy. Ponadto na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że nie zawsze można wyznaczyć punkty tworzące naturalne wejście do zatoki (Rys. 1.8). W sytuacji, gdy pole powierzchni zatoki jest zbliżone do powierzchni półkola o średnicy równej linii poprowadzonej w poprzek naturalnego wejścia (o niejednoznacznie wytyczonych punktach) przy najniższym stanie wody, niemożliwe jest stwierdzenie, czy dane wgłębienie linii brzegowej jest zatoką. Rys Wyznaczanie linii podstawowej zatoki (opracowanie własne na podstawie: [United Nations, 1989]) Podsumowując, można stwierdzić, że państwo nadmorskie może, w zależności od różnych warunków, wytyczyć linie podstawowe, stosując na przemian którekolwiek spośród wyżej opisanych metod. 23

24 1.4. Zasady wyznaczania zewnętrznej granicy morza terytorialnego Zgodnie z art. 4 [UNCLOS, 1982] zewnętrzną granicę morza terytorialnego stanowi linia, której każdy punkt leży w jednakowej odległości równej szerokości morza terytorialnego (nieprzekraczającej 12 Nm) do najbliższego punktu linii podstawowej. W 1962 r. Urząd Geodezji i Hydrografii Stanów Zjednoczonych (ang.: United States Coast and Geodetic Survey USC&GS) zasugerował trzy metody wyznaczania zewnętrznej granicy morza terytorialnego wykorzystując następujące rodzaje linii [Calderbank i inni, 2006; Shalowitz, 1962]: linia jednakowa (ang.: replica line); linia kombinacyjna (ang.: conventional line); linia intersekcyjna (ang.: envelope line). Pierwsza z nich (linia jednakowa) dokładnie odzwierciedla linię podstawową w odległości równej szerokości morza terytorialnego, stąd zewnętrzna granica morza terytorialnego charakteryzuje się bardzo nieregularnym kształtem (Rys. 1.9). Ponadto metoda ta nie spełnia wymogu formalnego, o którym mowa w art. 4 Konwencji. Rys Wyznaczanie zewnętrznej granicy morza terytorialnego metodą linii jednakowej (opracowanie własne na podstawie: [Calderbank i inni, 2006]) Druga z metod to kombinacja prostych i zaokrąglonych linii. Jest ona stosowana w przypadku urozmaiconej linii brzegowej. Nie ma ścisłych reguł dotyczących wyznaczania przebiegu tej linii, w związku z czym mogą nastąpić rozbieżności między uzyskanymi granicami (Rys. 1.10a, 1.10b). Ponadto metoda ta nie spełnia wymogu formalnego, o którym mowa w art. 4 Konwencji. 24

25 Rys Wyznaczanie zewnętrznej granicy morza terytorialnego metodą linii kombinacyjnej (opracowanie własne na podstawie: [Calderbank i inni, 2006]) W ostatniej z metod (intersekcyjna) każdy punkt linii granicznej leży w jednakowej odległości (równej szerokości morza terytorialnego) do najbliższego punktu linii podstawowej. Metoda ta polega na wykreślaniu okręgów o promieniu równym szerokości morza terytorialnego w punktach linii podstawowej wzdłuż wybrzeża, przy najniższym stanie wód. W wyniku intersekcji poszczególnych okręgów otrzymuje się zewnętrzną granicę morza terytorialnego (Rys. 1.11a). W przypadku, gdy część wybrzeża tworzą proste linie podstawowe, to wówczas linia intersekcyjna będzie złożona z linii prostych oraz okręgów poddanych procesowi intersekcji (Rys. 1.11b) [Kapoor, Kerr, 1986]. 25

26 Rys Wyznaczanie zewnętrznej granicy morza terytorialnego metodą linii intersekcyjnej (opracowanie własne na podstawie: [Calderbank i inni, 2006]) Wadą wyżej wymienionych metod jest konieczność posiadania aktualnej mapy prezentującej linię podstawową przy najniższym stanie wody. W przypadku, gdy wybrzeża dwóch państw leżą naprzeciw siebie lub sąsiadują ze sobą, to żadne z nich nie może rozciągać własnego morza terytorialnego poza linię środkową (każdy punkt tej linii leży w jednakowej odległości do najbliższego punktu linii podstawowej państw) (art. 15) [UNCLOS, 1982]. Punkty załomu linii środkowej powstają przez złączenie się trzech (ewentualnie dwóch) linii rozpoczynających się na wybrzeżach obu państw o równej długości (Rys. 1.12a). Powyższego postanowienia nie stosuje w sytuacjach, gdy kraje zawarły umowę stanowiącą inaczej lub konieczna jest delimitacja morza terytorialnego w sposób odmienny. W związku z tym, granicę zewnętrzną morza terytorialnego mogą tworzyć punkty środkowe linii ustalonych przez państwa (Rys. 1.12b) [Calderbank i inni, 2006]. 26

27 Rys Delimitacja morza terytorialnego między państwami (opracowanie własne na podstawie: [Calderbank i inni, 2006]) 1.5. Linia podstawowa i granica zewnętrzna morza terytorialnego RP W celu określenia przebiegu linii podstawowej w Polsce przyjęto najniższy stan wody wzdłuż całej długości wybrzeża. Zgodnie z ekspertyzą Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) z maja 1994 r. na temat Najniższe stany poziomu morza wzdłuż polskiego wybrzeża wynosi on -1,6 m. W oparciu o przyjęte ustalenia wyznaczono wewnętrzną i zewnętrzną granicę morza terytorialnego na podstawie następujących materiałów źródłowych [Ustawa, 2015]: sesji pomiarowej punktów linii podstawowej; skorygowanych współrzędnych punktów linii podstawowej uzgodnionych i przekazanych przez Urząd Morski w Szczecinie, Urząd Morski w Słupsku oraz Urząd Morski w Gdyni; umowy między Polską Rzeczpospolitą Ludową a Związkiem Socjalistycznych Republik Radzieckich o rozgraniczeniu wód terytorialnych, strefy 27

28 ekonomicznej, strefy rybołówstwa morskiego i szelfu kontynentalnego na Morzu Bałtyckim, podpisana w Moskwie dnia 17 lipca 1985 r. (Dz.U. z 1986 r. nr 16 poz. 85); protokólarnego opisu przebiegu granicy państwowej między Polską Rzeczpospolitą Ludową a Związkiem Socjalistycznych Republik Radzieckich, w części przylegającej do Morza Bałtyckiego i w Zatoce Gdańskiej, wytyczonej w latach: ; umowy między Polską Rzeczpospolitą Ludową a Niemiecką Republiką Demokratyczną w sprawie rozgraniczenia obszarów morskich w Zatoce Pomorskiej (Dz.U. z 1989 r. nr 43 poz. 233); rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 22 lutego 1995 r. w sprawie ustalenia granicy redy dla portów morskich w Świnoujściu i Szczecinie (Dz.U. z 1995 r. nr 20 poz. 101). Punkty te we wspomnianych regulacjach zostały przedstawione w układzie współrzędnych geograficznych. W związku z tym, zgodnie z 15.1 pkt 3 [Rozporządzenie, 2012] na potrzeby wykonywania map morskich, dokonano ich transformacji do układu PL-UTM. Proces obliczeniowy zrealizowano poprzez rzutowanie punktów (wyrażonych w mierze kątowej) z powierzchni elipsoidy obrotowej WGS 84 [NIMA, 2004] na powierzchnię płaską przy wykorzystaniu transformacji Gaussa-Krügera, stosowanej powszechnie w geodezji. W wyniku obliczeń uzyskano współrzędne płaskie (x, y), gdzie wartość x oznacza odległość (w metrach) punktu od równika, liczoną po łuku południka (na elipsoidzie obrotowej WGS 84), a zmienna y to odległość (w metrach) od ustalonego arbitralnie południka środkowego. Znak minus oznacza, że punkt znajduje się na zachód od południka, natomiast plus odpowiada położeniu na wschód od południka. Celem uniknięcia ujemnych wartości współrzędnych na osi y często do wyniku dodaje się stałą wartość wynoszącą np m (dla 6-stopniowych pasów odwzorowawczych w układzie PL-UTM) [Gajderowicz, 2009; Kadaj, 2002]. W ramach obliczeń wykorzystano układ PL-UTM, a zamianę współrzędnych kątowych na kartezjańskie zrealizowano w oparciu o następujące zależności matematyczne [Hofmann-Wellenhof i inni, 1994]: 28

29 2 4 S( B) ( L) ( L) x k R sin( B) cos( B) sin( B) cos ( B) (5 t 9 4 ) R 2 24 gdzie:, (1-1) 6 ( L) sin( B) cos ( B) (61 58t t t ( L) y k R L cos( B) cos ( B) (1 t ) 6 ( L) cos ( B) (5 18t t t 13 ) BL, zmierzone współrzędne elipsoidalne, R promień krzywizny przekroju elipsoidy, S B odległość od równika do punktu o określonych współrzędnych [m], L odległość punktu od południka osiowego [m], k współczynnik skali wynoszący 0,9996,, (1-2) pozostałymi parametrami odwzorowania do współrzędnych płaskich w układzie PL-UTM są: gdzie: t tan B, (1-3) 2 2 e cos ( B), 2 1 e (1-4) e pierwszy mimośród elipsoidy, kąt orientacji zniekształceń elipsy. W załączniku nr 1 i 3 projektu rozporządzenia Rady Ministrów w sprawie szczegółowego przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego, zewnętrznej granicy morza terytorialnego oraz zewnętrznej granicy strefy przyległej Rzeczpospolitej Polskiej [Projekt, 2015] przedstawiono opisowo przebieg linii podstawowej (165 punktów) oraz zewnętrznej granicy morza terytorialnego (482 punkty). Są to linie łamane łączące kolejne punkty według rosnącej współrzędnej wschodniej (Easting), których punkty początkowe stanowią przecięcie z granicą niemiecką, a punkty końcowe z granicą rosyjską. Na podstawie tych danych obliczono długości linii podstawowej i zewnętrznej granicy morza terytorialnego wynoszących odpowiednio: 406 i 501 km oraz obszar morza terytorialnego (8 773 km 2 ). Ponadto w formie graficznej zaprezentowano przebieg polskiej granicy państwowej na morzu (Rys. 1.13). 29

30 Rys Mapa obrazująca przebieg polskiej granicy państwowej na morzu wykonana przy pomocy programu ArcGIS (opracowanie własne) Należy w tym miejscu zauważyć, że odpowiedź na pytanie, ile wynosi długość polskiej granicy i powierzchnia Polski, nie jest, wbrew pozorom, jednoznaczna. Zgodnie z oficjalnymi danymi uwzględnionymi w Małym Roczniku Statystycznym Polski 2015 [GUS, 2015] wydanym przez Główny Urząd Statystyczny (GUS) wyróżnia się cztery rodzaje powierzchni Kraju: powierzchnia lądowa Polski ( km 2 ); powierzchnia administracyjna Polski ( km 2 ); obszar morskich wód wewnętrznych Polski (2 004 km 2 ); obszar morza terytorialnego (8 682 km 2 ); oraz dwa rodzaje granic: lądową (3 071 km); morską (440 km). Dla potrzeb niniejszej pracy zostanie przeanalizowana jedynie powierzchnia morza terytorialnego oraz długość granicy morskiej. Porównując informacje statystyczne (opublikowane przez [GUS, 2015] i obliczone na podstawie danych zawartych w [Projekt, 2015]) należy stwierdzić, że w granica Polski w pierwszym z dokumentów jest krótsza o 61 km, natomiast powierzchnia kraju jest mniejsza o 91 km 2. Przyczyną tych rozbieżności może być fakt, że oba dokumenty zostały opublikowane w niemal identycznym czasie (na początku lipca 2015 r.). Zatem dane pochodzące z [Projekt, 2015] mogły nie zostać uwzględnione w najnowszym [GUS, 2015]. 30

31 Rys Położenie geograficzne Polski według [GUS, 2015] Jeżeli przeanalizujemy granicę morską przedstawioną na Rys i 1.14 to zauważymy, że przebieg zewnętrznej granicy morza terytorialnego przy Zalewie Szczecińskim uległ widocznej zmianie, którą uwzględniono w [Projekt, 2015], a która nie występuje w [GUS, 2015]. Na Rys kolorem pomarańczowym zaznaczono zmodyfikowaną, państwową granicę na morzu pomiędzy pkt. 1-3 i 12 (jej przebieg jest zbliżony do tej zaprezentowanej na Rys. 1.13). W celu porównania danych o powierzchni Polski oraz długości państwowej granicy na morzu pochodzących z [GUS, 2015] oraz [Projekt, 2015] wykorzystano specjalistyczne oprogramowanie geodezyjne. Przy wykorzystaniu programu ArcGIS obliczono długość nowo utworzonej granicy (pkt. 1-3 i 12), która wyniosła 24 km. Bez modyfikacji jej długość jest równa 101 km. Zatem całkowita długość zmodyfikowanej, zewnętrznej granicy morza terytorialnego wyniosła ~ 424 km (424,3 km) i różniłaby się o 16 km od tej podanej w [GUS, 2015]. Ponadto obliczona wartość (424,3 km) jest bardzo zbliżona do tych, które zaprezentowano w publikacji [Kantak, Morgaś, 2003]. Autorzy przywołanej publikacji do obliczenia długości polskiej granicy państwowej na morzu wykorzystali trzy metody: graficzną, nawigacji zliczeniowej i przenoszenia współrzędnych średniej 31

32 szerokości Gaussa. Metoda graficzna polegała na aproksymacji linii krzywej do linii łamanej. Po wyznaczeniu punktów pośrednich dokonano pomiaru długości poszczególnych odcinków, a następnie porównano je z podziałką na mapie. Długość zewnętrznej granicy morza terytorialnego zmierzonej bezpośrednio na mapie wyniosła 424,1 ± 0,5 km. Metoda nawigacji zliczeniowej polegała na obliczeniu długości odcinków pomiędzy kolejnymi punktami, przy założeniu, że promień krzywizny Ziemi jest równy R = m oraz długość mili morskiej wynosi 1852 m. Wyznaczona w ten sposób granica morska wyniosła 424,5 ± 0,1 km. Metoda średniej szerokości Gaussa polegała na wykorzystaniu odwrotnego zadania geodezyjnego przenoszenia współrzędnych. Była to najdokładniejsza z wymienionych metod, ponieważ obliczenia prowadzono bezpośrednio na powierzchni elipsoidy WGS 84. Zmierzona w ten sposób zewnętrzna granica morza terytorialnego wyniosła 424,8 ± 0,1 km [Kantak, Morgaś, 2003]. W wyniku przeprowadzonych obliczeń (Rys. 1.15) obszar polskiego morza terytorialnego zmniejszyłby się o 99 km 2 i wyniósłby km 2. Jego powierzchnia byłaby o 9 km 2 mniejsza od tej podanej w [GUS, 2015]. Rys Mapa obrazująca przebieg zmodyfikowanej, polskiej granicy państwowej na morzu wykonana przy pomocy programu ArcGIS (opracowanie własne) 32

33 2. Światowy System Geodezyjny WGS Geneza powstania i przeznaczenie Technologie pomiarów satelitarnych o zasięgu globalnym wymagały gruntownej zmiany strategii podejścia do systemów geodezyjnych funkcjonujących na obszarze całej kuli ziemskiej. Lokalne przybliżenia powierzchni Ziemi poprzez elipsoidy obrotowe wyznaczane na przestrzeni wieloletniej stały się niewystarczające ze względu na niemożność ich aplikacji w ramach światowych rozwiązań GNSS (ang.: Global Navigation Satellite System). Zamierzeniem twórców światowych systemów geodezyjnych było takie ustalenie parametrów elipsoidy obrotowej, które w możliwie najlepszy sposób odpowiadałaby powierzchni Ziemi. Stąd powstał Światowy System Geodezyjny 1984 (ang.: World Geodetic System 1984 WGS 84), który stanowi zbiór parametrów określających wielkość i kształt Ziemi oraz właściwości jej potencjału grawitacyjnego. System ten definiuje elipsoidę, która jest generalizacją kształtu geoidy, wykorzystywaną do tworzenia map oraz wyznaczania współrzędnych pozycji w jednolitym systemie. Elipsoida WGS 84 stała się podstawowym układem odniesienia w systemach nawigacji satelitarnej. Przy używaniu map opartych na innym układzie należy wprowadzać poprawki. Chociaż większość odbiorników nawigacji satelitarnej ma zaprogramowaną możliwość wyświetlania pozycji w innych układach, jednakże obecnie wciąż trwa proces upowszechniania map opartych o WGS 84. Położenie punktów w odniesieniu do powierzchni elipsoidy określają współrzędne elipsoidalne (ϕ, λ, h) lub równoważne im geocentryczne współrzędne kartezjańskie (x, y, z) Definicja układu Układ WGS 84 to Umowny (Konwencjonalny) Ziemski System Odniesienia (ang.: Conventional Terrestrial Reference System CTRS), który został zdefiniowany przez Międzynarodową Służbę Ruchu Obrotowego Ziemi i Systemów Odniesienia (ang.: International Earth Rotation and Reference Systems Service IERS) przy zachowaniu następujących warunków [McCarthy, 1996]: jest układem geocentrycznym o początku w centrum masy Ziemi (łącznie z oceanami i atmosferą); 33

34 skala układu jest spójna z czasem współrzędnych geocentrycznych (ang.: Geocentric Coordinate Time TCG); orientacja WGS 84 jest zgodna z orientacją Międzynarodowego Biura Czasu (ang.: Bureau International de l Heure BIH) w odniesieniu do epoki ; zmienność orientacji w czasie jest określana poprzez zastosowanie warunku, iż globalna suma poziomych ruchów tektonicznych Ziemi nie zawiera składowych obrotu. Światowy System Geodezyjny 1984 to prawoskrętny, ortogonalny układ współrzędnych, którego interpretację graficzną przedstawiono na Rys Początkiem tego układu jest środek geometryczny elipsoidy obrotowej WGS 84, natomiast oś OZ wyznacza jej oś obrotu [NIMA, 2004]. Rys Graficzna interpretacja współrzędnych elipsoidalnych (opracowanie własne na podstawie: [NIMA, 2004]) 34

35 Ponadto zdefiniowano: oś Z skierowana do umownego bieguna ziemskiego; oś X wyznacza przecięcie płaszczyzny południka zerowego i płaszczyzny prostopadłej do umownego bieguna ziemskiego przechodzącej przez środek ciężkości Ziemi; oś Y uzupełnia prawoskrętny, ortogonalny układ współrzędnych. Pierwotnie praktyczną realizacją układu WGS 84 były współrzędne sieci stacji TRANET uzyskane z pomiarów dopplerowskich satelitów systemu TRANSIT. System WGS 84 został stworzony na bazie zmodyfikowanego układu NSWC 9Z-2 (WGS 72) [Cunningham, 1987; Mueller, 1985]. Modyfikacje te miały na celu: przesunięcie początku układu o wielkość 4,5 m na południe wzdłuż osi OZ; obrót południka odniesienia o kąt 0,814 arc sek wokół osi OZ do kierunku południka zerowego; zmianę skali układu o -0,06 ppm. Transformacja współrzędnych stacji dopplerowskich z układu WGS 72 na WGS 84 nastąpiła przy zastosowaniu wzorów transformacji Mołodienskiego z użyciem powyższych parametrów. W wyniku przeprowadzonych obliczeń otrzymano globalnie jednorodny układ odniesienia o dokładności rzędu 1-2 m, co wynikało z dokładności pomiarów wykonanych techniką dopplerowską Parametry elipsoidy WGS 84 W układzie WGS 84 pierwotnie korzystano z elipsoidy odniesienia o określonych parametrach GRS 80 (ang.: Geodetic Reference System 1980 GRS80), ale w dalszych udoskonaleniach tego układu wprowadzono pewne zmiany. Są one istotne tylko w przypadku obliczeń precyzyjnych orbit satelitów, natomiast w praktyce geodezyjnej nie mają one istotnego znaczenia. W związku z tym, nazwy elipsoid przyjmuje się niekiedy zamiennie (parametry tych elipsoid różnią się o nieistotną wartość) [Łyszkowicz, 2006]. Jednym z parametrów opisujących elipsoidę WGS 84 jest duża półoś elipsoidy (a), której wartość wynosi: a ,0 m. (2-1) 35

36 Wyznacza ona wielkość i kształt elipsy, a także elipsoidy obrotowej. Duża półoś elipsoidy GRS 80, a zarazem WGS 84 (ich wartości są identyczne) została wyznaczona na podstawie pomiarów i danych laserowych, dopplerowskich oraz altimetrycznych w latach: [Moritz, 1979]. Późniejsze badania dowiodły, że wartość dużej półosi zmieniła się nieznacznie (zaledwie o kilka dm od pierwotnej). Spłaszczenie (f) jest kolejnym z podstawowych parametrów definiujących elipsoidę WGS 84: 1 298, f. (2-2) Spłaszczenie geometryczne elipsoidy jest to wielkość opisująca odstępstwo od kulistego kształtu elipsoidy. Zależy ono wyłącznie od wartości małej (b) i dużej półosi elipsoidy, których różnica wynosi 21,385 km (0,335%). Tak jak w przypadku poprzedniej wersji standardu wydanej przez NIMA (TR8350.2), wartość spłaszczenia pozostała niezmieniona. Trzecim z parametrów opisującym elipsoidę WGS 84 jest geocentryczna stała grawitacyjna Ziemi, uwzględniająca wpływ atmosfery (GM): GM ,418 0, (2-3) m s Stanowi ona iloczyn stałej grawitacyjnej (G) oraz masy Ziemi (M) wynoszącej 5, kg. Jej wartość określono w konwencji IERS z 1996 r. [McCarthy, 1996] oraz zatwierdzono na XXI Zgromadzeniu Międzynarodowej Asocjacji Geodezji (ang.: International Association of Geodesy IAG) [Bursa, 1995], natomiast dokładność wyznaczenia tego parametru została szczegółowo przedyskutowana w [Ries i inni, 1992]. Należy zauważyć, że w systemie GPS wartość tej stałej jest nieco inna i wynosi m 3 /s 2. Jej modyfikacja jest praktycznie niemożliwa, ponieważ byłaby podyktowana bardzo dużymi nakładami finansowymi (odbiorniki i satelity systemu GPS używają niezaktualizowanej, pierwotnej wartości tego parametru) [Feess, 1993]. W niektórych zastosowaniach nie jest konieczne uwzględnianie wpływu atmosfery. W celu jej redukcji należy znać wartość stałej grawitacyjnej (G) oraz masy atmosfery ziemskiej (M a ) wynoszącej kg [Moritz, 1975]. W wyniku iloczynu 36

37 tych stałych otrzymamy wartość poprawki uwzględniającej wpływ mas atmosfery (GM A ): GM m s 3 8 A 3,5 0,1 10. (2-4) 2 Wykorzystując wyrażenia (2-3, 2-4) jesteśmy w stanie obliczyć wartość geocentrycznej stałej grawitacyjnej Ziemi, nieuwzględniającej wpływu atmosfery (GM ) (jest ona wyznaczona z mniejszą dokładnością niż GM): 3 8 GM ' ,9 0,1 10 m 2. (2-5) s Ostatnim, czwartym podstawowym parametrem definiującym elipsoidę WGS 84 jest prędkość kątowa obrotu Ziemi (ω): rad s (2-6) Powszechnie przyjęto, że prędkość kątowa ma stałą wartość (mimo, że jest ona zmienna w czasie). Z tego powodu w niektórych zastosowaniach geodezyjnych nie uwzględnia się wartości tego parametru. Natomiast w aplikacjach satelitarnych przyjmuje się alternatywnie prędkość obrotową w precesyjnym układzie odniesienia (ω*), którą oblicza się za pomocą poniższego wzoru: * ' m, (2-7) a prędkość kątową precesji (m) określa wyrażenie [Aoki i inni, 1982; Kaplan, 1981]: gdzie: ' ,1467 m 11 10, rad s , ,310 T, u (2-8) rad s du Tu stulecia juliańskie od epoki J2000.0, du JD liczba dni juliańskich dla czasu uniwersalnego (ang.: Julian Date JD). Wykorzystując powyższe zależności prędkość obrotową w precesyjnym układzie odniesienia (ω*) można zapisać jako: 37

38 * , , T. u (2-9) rad s Opisane powyżej stałe są niezbędne do wyznaczenia pozostałych stałych odniesionych do elipsoidy WGS 84. Wykorzystując oznaczenia i wzory przedstawione w [Banachowicz, 2006; IAG, 1971; Moritz, 2000] w Tab i 2.2. zaprezentowano wartości tych parametrów, które są powszechnie stosowane w geodezji. Parametry fizyczne odniesione do elipsoidy WGS 84 [NIMA, 2004] Stała Symbol Wartość Potencjał normalny na elipsoidzie U ,7146 m s 2 Tab Przyspieszenie normalne siły ciężkości na równiku elipsoidy Przyspieszenie normalne siły ciężkości na biegunie elipsoidy e p 9, m s 2 9, m s 2 Średnie przyspieszenie ziemskie 9, m 2 s b p k 1 a Stosunek siły odśrodkowej do natężenia siły grawitacji na równiku e k 0, m 0, Parametry geometryczne odniesione do elipsoidy WGS 84 [NIMA, 2004] Stała Symbol Wartość Znormalizowana harmonika zonalna drugiego rzędu C 2,0 Tab , Mała półoś elipsoidy b ,3142 m Pierwszy mimośród Kwadrat pierwszego mimośrodu 2 e Drugi mimośród e ' Kwadrat drugiego mimośrodu e' 2 Mimośród liniowy (odległość ogniska elipsy południkowej od środku układu) E e 8, , , , , Promień krzywizny biegunowej c ,6258 m Stosunek półosi elipsoidy b a Promień średni półosi R 1 Promień sfery równoważnej powierzchnią R 2 Promień sfery równoważnej objętością R 3 0, ,7714 m ,1809 m ,79 m 38

39 Dwie dodatkowe stałe fizyczne definiujące elipsoidę WGS 84 to prędkość światła w próżni (c) oraz spłaszczenie dynamiczne (H). Pierwsza z nich została zatwierdzona przez IAG i Międzynarodową Unię Astronomiczną (ang.: International Astronomical Union IAU), a jej wartość wynosi [Bursa, 1995; McCarthy, 1996; Price, 1986]: c m. (2-10) s Drugą z nich można wyznaczyć wykorzystując główne momenty bezwładności [Brzeziński, 2004]: H C A, (2-11) A gdzie: A C , kg m średni równikowy moment bezwładności Ziemi, , kg m osiowy moment bezwładności Ziemi. W literaturze światowej stała (H) jest określana również jako spłaszczenie mechaniczne oraz stała precesyjna. W raporcie wydanym w 1983 r. przez IAG (dotyczącym podstawowych stałych geodezyjnych) wartość spłaszczenia dynamicznego (H) wynosi [Moritz, 1983]: 1 305, , 0005 H. (2-12) 2.4. Pole normalne siły ciężkości Ziemi Wyznaczanie wysokości punktów w obowiązującym w danym kraju systemie wysokości jest ściśle związane z budową modeli geoidy i quasi-geoidy. Powszechnie wyróżnia się dwa podejścia do obliczania tych modeli. W pierwszym z nich wykorzystuje się dane grawimetryczne oraz całkę Stokesa, a w drugim modele geopotencjału [Dvuilt, Tretjak, 2010]. Niezależnie od zastosowanej metody podstawą dokładnego obliczenia wysokości geoidy i quasi-geoidy są powierzchniowe dane grawimetryczne [Trojanowicz, 2009]. Obecnie wszystkie nowoczesne techniki modelowania geoidy i quasi-geoidy wykorzystują jako model pola grawitacyjnego Ziemi globalne modele geopotencjału. Są one wyznaczane z analizy orbit sztucznych satelitów, z pomiarów grawimetrycznych wykonanych na powierzchni Ziemi i z danych 39

40 altimetrycznych (pomiar odległości satelity od powierzchni morza) [Łyszkowicz, 2009]. Wybór odpowiedniego, globalnego modelu potencjału ma wpływ na proces tworzenia dokładnych, regionalnych modeli geoidy metodą remove-compute-restore. Ponadto odgrywa on również istotną rolę w określeniu jakości anomalii wysokości wyznaczonych z pomiarów GPS na punktach o znanej wysokości normalnej, które są wykorzystywane do wyznaczania zewnętrznej dokładności modeli geoidy [Kryński, 2007]. Pierwszy model geopotencjalny do stopnia 8 został wyznaczony na podstawie powierzchniowych danych grawimetrycznych i opracowany przez Żonogołowicza w 1956 r. Kolejny model również do stopnia 8 został wyznaczony na podstawie danych satelitarnych i obliczony w Instytucie Smitsońskim w 1966 r. Modele te umożliwiały wyznaczenie wysokości geoidy/quasi-geoidy z dokładnością do ± 10 m. Począwszy od 1978 r. stworzono szereg modeli do stopnia i rzędu 180, 360 i wyżej [Rapp, 1978; Rapp, Cruz, 1985; Wenzel, 1985]. Przedostatni ogólnodostępny model grawitacyjny o nazwie EGM96 do stopnia i rzędu 360 został opracowany w 1996 r. i charakteryzuje się dokładnością ± 19 cm na obszarze Polski. Po dwunastu latach w 2008 r. opublikowano model EGM08 do stopnia 2190 i rzędu 2159, którego dokładność jest porównywalna z modelami grawimetrycznymi quasi-geoidy tworzonymi na terenie Polski (nieznacznie poniżej ± 2 cm) [Łyszkowicz, 2009]. gdzie: Całkowity potencjał grawitacyjny Ziemi (W) określa formuła [NIMA, 2004]: V potencjał grawitacyjny Ziemi, 1 2 W V, (2-13) 2 x 2 y 2 potencjał związany z ruchem wirowym Ziemi, przy założeniu, że: prędkość kątowa obrotu Ziemi, xy, geocentryczne współrzędne kartezjańskie w układzie WGS 84. Rozwinięcie potencjału grawitacyjnego Ziemi (V) w szereg harmonicznych sferycznych przedstawia równanie [Czarnecki, 1997; NIMA, 2004]: 40

41 n n n GM a V 1 P sin ' C cos m S sin m r n2 m0r gdzie: max nm nm nm, (2-14) r odległość punktu od środka ciężkości Ziemi, nm, odpowiednio stopień i rząd rozwinięcia, ' szerokość geocentryczna, długość elipsoidalna (długość geocentryczna), Cnm, S nm znormalizowane harmoniczne sferyczne, P nm! 2 1 n m! n m n k Legendre a, 1 2 P nm sin ' znormalizowana stowarzyszona funkcji przy założeniu, że: P nm m m d sin ' cos ' Pn sin ' m d sin ' stowarzyszona funkcja Legendre a, oraz: 1 d 2 n! dsin ' n 2 n n sin ' sin ' 1 n n P wielomian Legendre a. WGS 84 jest oparty na teorii geocentrycznej elipsoidy ekwipotencjalnej, generalizującej kształt geoidy. Polega ona tym, że elipsoida jest powierzchnią ekwipotencjalną o stałym potencjale normalnym siły ciężkości (U = const), który jest jednakowy w każdym jej punkcie. Potencjał (U) jest uzależniony od czterech stałych parametrów definiujących elipsoidę WGS 84 (a, f, ω, GM) [NIMA, 2004]. Przyspieszenie normalne na powierzchni elipsoidy ekwipotencjalnej (γ) można wyznaczyć za pomocą wzoru podanego przez włoskiego geodetę Somigliana [Heiskanen, Moritz, 1967]. Należy zaznaczyć, że jest to wzór uproszczony (mało dokładny): e 1k sin 2 1e sin 2 2, (2-15) 41

42 gdzie: szerokość elipsoidalna. Jednostką przyspieszenia normalnego siły ciężkości jest m/s 2 (otrzymano ją wykorzystując podstawowe jednostki układu MSK). Jednak w grawimetrii (dział geofizyki zajmujący się pomiarami przyspieszenia ziemskiego dla badań pola grawitacyjnego Ziemi) operuje się znacznie mniejszą jednostką mgal (miligal). W przeliczeniu na jednostki: 1 m/s 2 = 10 5 mgal. Dla niewielkich wysokości elipsoidalnych (h) przyspieszenie normalne ponad elipsoidą (γ h ) można zapisać w postaci (wzór opisany zależnością (2-15) rozwinięto w szereg Taylora) [NIMA, 2004]: 2 h 1 2 h 2 h 2 h h. (2-16) Przekształcając powyższe równanie (przy założeniu, że przyspieszenie (γ h ) jest liczone wzdłuż normalnej do elipsoidy odniesienia) otrzymamy [Heiskanen, Moritz, 1967]: sin 2 2 h f m f h h 2 a a. (2-17) Powyższe wyrażenie jest bardzo przydatne w teorii wysokości normalnych Mołodienskiego i niwelacji satelitarnej. W celu jego wyznaczenia wykorzystuje się współogniskowe współrzędne elipsoidalne (u, β, λ). Współrzędne te powstają poprzez umieszczenie w początku układu współrzędnych prostokątnych środka elipsoidy obrotowej o liniowym mimośrodzie (E) i małej półosi (u) pokrywającej się z osią OZ. Długość małej półosi (u) jest dobierana w taki sposób, aby powierzchnia elipsoidy przechodziła przez punkt P (Rys. 2.1). Zależność mimośrodu z dużą i małą półosią elipsoidy przedstawia następujące równanie [NIMA, 2004]: E a u 2 2 '. (2-18) Należy zwrócić uwagę, że gdy małe półosie elipsoidy współogniskowej i lokalnej są sobie równe to jednocześnie zachodzi zależność: a = a. Druga współrzędna elipsoidalna to szerokość zredukowana (β). Otrzymamy ją, rzutując punkt prostą przechodzącą przez punkt P równoległą do osi OZ z powierzchni elipsoidy na kulę o promieniu a. Promień wodzący rzutu P* tworzy z płaszczyzną równika kąt β. Ostatnia 42

43 ze współogniskowych współrzędnych elipsoidalnych to długość geocentryczna (λ) i nie wymaga dalszych komentarzy. Przyspieszenie (γ h ) jest współliniowe z normalną do elipsoidy odniesienia w punkcie P i może być wyznaczone z dokładnością wyższą niż 1 μgal (dla wysokości elipsoidalnych większych niż m). Jego wartość jest w przybliżeniu równa pierwiastkowi sumy kwadratów składowych wektora przyspieszenia normalnego ( total ) [NIMA, 2004]: h total u. (2-19) Zauważmy, że γ h = 0 ze względu na symetrię potencjału normalnego (U) względem osi obrotu. Ponadto powyższe wyrażenie jest prawdziwe tylko wtedy, gdy wektor przyspieszenia normalnego ( total ) jest skierowany prostopadle do powierzchni ekwipotencjalnej przechodzącej przez punkt P. W związku z tym, że przesunięcie kątowe (ε) pomiędzy wektorami przyspieszenia (γ h ) i ( total ) w punkcie P jest niewielkie, to dla dużych wysokości elipsoidalnych przyspieszenie (γ h ) określa się na podstawie przybliżonego wzoru (2-19). Dla punktów leżących na elipsoidzie odniesienia (h = 0), gdzie γ β = 0 i u = b, można stosować zamiennie wyrażenia (2-15) i (2-19) [NIMA, 2004]. Składowe (γ u, γ β ) wektora przyspieszenia normalnego ( total ) mogą zostać wyznaczone z najwyższą możliwą dokładnością przy zastosowaniu następujących wzorów [Heiskanen, Moritz, 1967]: GM a E q' u u, sin u cos, (2-20) w u E u E q0 2 6 w a q 1 w 2 2 q0 w u, sin cos u E sin cos, (2-21) u E gdzie: 2 2 E a b, (2-22) 43

44 E z u x y z E x y z E , (2-23) arctan z u E u x y w u E sin u E q 1 3 arctan 3 2 q u E u 2 E u E, (2-24), (2-25), (2-26) 2 1 b E b 1 3 arctan 3, (2-27) 2 E b E 2 u u E 2 E E u q ' arctan 1. (2-28) Wykorzystując związki (2-29, 2-30, 2-31) pomiędzy współrzędnymi kartezjańskimi (x, y, z) i elipsoidalnymi (ϕ, λ, h) możemy wyznaczyć wartości wyrażeń (2-23, 2-24) [NIMA, 2004]: cos cos x N h, (2-29) cos sin y N h, (2-30) 2 b z N h sin 2 a natomiast promień przekroju pierwszego wertykału (N) ma postać:, (2-31) N a 1e sin 2 2. (2-32) W celu dokładnego wyznaczenia przyspieszenia (γ h ) w punkcie P (kąt ε jest nieistotny w równaniu (2-19)) konieczne jest wyznaczenie składowych wektora przyspieszenia normalnego ( total ) w oparciu o układ współrzędnych sferycznych (r, ψ, λ). Znając wartości (γ r, γ ψ ) oraz przesunięcie kątowe (α = ϕ - ψ) jesteśmy w stanie wyznaczyć dokładnie wartość przyspieszenia (γ h ) [NIMA, 2004]: sin cos, (2-33) h r 44

45 skąd [Heiskanen, Moritz, 1967]: E R u x r R R1 E y S R2 R Uklad Uklad Uklad wspolrzednych z wspolrzednych wspolrzednych elipsoida ln ych kartezjanskich sferycznych S S R R, (2-34) 2 1 E u 1 cos cos sin cos sin 2 2 w u E w u 1 R1 cos sin sin sin cos 2 2 w u E w 1 u sin cos 0 w 2 2 w u E R 2 sin cos 0 cos cos cos sin sin sin cos sin sin cos, (2-35), (2-36). (2-37) Wektory ( E ) i ( S ) ze wzoru (2-34) są równe zero, ponieważ potencjał normalny siły ciężkości (U) nie zależy od długości elipsoidalnej (λ). W celu przeliczenia współrzędnych konieczne jest zdefiniowanie pozostałych kątów (Rys. 2.2) [NIMA, 2004]: przy założeniu, że kąt θ wynosi ; 2 2., (2-38) arctan, (2-39) r Podane powyżej równania stosuje się do wyznaczenia kątów (α, ε, θ) zarówno na półkuli północnej, jak i południowej. Każdy z tych kątów jest równy zero dla punktów (o dodatniej wysokości elipsoidalnej (h)) leżących w płaszczyźnie równikowej lub nad jednym z biegunów. Dla punktów leżących na elipsoidzie odniesienia (h = 0) kąty α i θ są sobie równe, natomiast kąt ε jest równy zero. Przeprowadzone analizy wykazały, że przesunięcie kątowe ε można określić z dokładnością wyższą niż 4 arc sek dla wysokości elipsoidalnych większych niż m. Składową (γ ϕ ) wektora 45

46 przyspieszenia normalnego ( total ) w punkcie P (leży w płaszczyźnie południkowej tego punktu oraz jest prostopadła względem składowej (γ h )) określa zależność [NIMA, 2004]: cos sin. (2-40) r Dla punktów leżących na elipsoidzie odniesienia (h = 0) wartość tej składowej (γϕ) wynosi zero. Ponadto wielkość (γϕ) stanowi mniej niż 0,002% wartości składowej (γ h ) dla wysokości elipsoidalnych większych niż m [NIMA, 2004]. Wykorzystując równania (2-33) i (2-40) jesteśmy w stanie wyznaczyć wartość wektora przyspieszenia normalnego ( total )[NIMA, 2004]: 2 2 total h. (2-41) Rys Składowe przyspieszenia normalnego γ h (opracowanie własne na podstawie: [NIMA, 2004]) 46

47 Podsumowując, dla niewielkich wysokości elipsoidalnych (h) przyspieszenie normalne ponad elipsoidą (γ h ) oblicza się na podstawie wzoru (2-17) (z dokładnością mniejszą niż 1 μgal). Dla zastosowań wymagających wyższych dokładności zaleca się stosowanie uproszczonego wzoru (2-19), który jest przybliżeniem wzoru (2-33) dla wysokości elipsoidalnych większych niż m. Oczywiście przyspieszenie (γ h ) może zostać obliczone na podstawie wzoru (2-33), w którym należy dokonać dwóch transformacji między układami współrzędnych (2-34). Różnica między wynikami uzyskanymi na podstawie wzorów (2-19) i (2-33) jest mniejsza niż 1 μgal. W związku z tym, do obliczenia przyspieszenia (γ h ) powszechniej używa się wyrażenia (2-33) [NIMA, 2004] Powierzchnie odniesienia stosowane w geodezji i hydrografii oraz relacje między nimi Powszechnie w geodezji są używane trzy powierzchnie odniesienia [Lamparski, 1998]: fizyczna powierzchnia Ziemi; elipsoida odniesienia; geoida. Powierzchnia przechodząca przez punkty o tym samym potencjale (2-42) zwana jest powierzchnią ekwipotencjalną lub powierzchnią stałej wartości siły ciężkości. Jedna z nich (geoida) o wysokości zerowej definiowana jest jako powierzchnia odniesienia pomiarów wysokościowych [Łyszkowicz, 2006]. W X,Y,Z const. (2-42) Tradycyjna metoda wyznaczenia położenia geoidy zakładała określenie wartości stałego potencjału dla najlepiej aproksymującej Ziemię elipsoidy. Jednakże twórcy standardu WGS 84 przyjęli odmienne podejście, w którym różnica między dużą półosią elipsoidy a aproksymującą model grawitacyjny powierzchnią wynosi -0,53 m. Skutkiem tego ustalenia jest przyjęcie zerowego rzędu wartości undulacji geoidy [NIMA, 2004]. W zastosowaniach geodezyjnych geoida jest opisana w danym punkcie poprzez podanie odległości powyżej (+N) lub poniżej (N) elipsoidy. Ze względów praktycznych poziom geoidy odpowiada powierzchni odniesienia pokrywającej się ze średnim poziomem morza (ang.: Mean Sea Level MSL). Wysokości punktów, które nie zostały 47

48 wyznaczone za pomocą tradycyjnej niwelacji można określić posługując się następującym wzorem [Heiskanen, Moritz, 1967; Łyszkowicz, 2009]: gdzie: h wysokość elipsoidalna, h H N, (2-43) H h N, (2-44) H wysokość liczona względem średniego poziomu morza (wysokość ortometryczna), N undulacja geoidy (odstęp geoidy od elipsoidy), w skali całego globu różnice te mogą wahać się od -100 do +75 m, a na obszarze Polski od +28 do +43 m. W powyższym wzorze (2-44) utożsamia się powierzchnię morza z powierzchnią geoidy, ale zaniedbuje się również fakt, że wysokość względem średniego poziomu morzu powinna być liczona wzdłuż zakrzywionej linii pionu. Alternatywnie, niektóre państwa zastępują wysokości ortometryczne wysokościami normalnymi oraz undulacje geoidy anomaliami wysokości. W takim wypadku zależność (2-43) może zostać wyrażona postacią [NIMA, 2004]: gdzie: N H wysokość normalna, anomalia wysokości. N h H N H, (2-45) Powierzchnią odniesienia dla wysokości normalnych jest quasi-geoida czyli powierzchnia aproksymująca swobodny poziom mórz i oceanów. Została zdefiniowana i opracowana przez Michaiła Mołodienskiego ze względu na niemożliwość wyznaczenia kształtu geoidy, w przypadku gdy nie jest znany rozkład gęstości i położenie mas leżących na zewnątrz geoidy. Na obszarze oceanów bryła ta pokrywa się z powierzchnią geoidą, natomiast na obszarach lądowych odstępy między tymi powierzchniami wynoszą niespełna dwa metry [Banachowicz, 2006; Mołodienski i inni, 1960]. Zgodnie z teorią Mołodienskiego wysokością normalną punktu P jest iloraz liczby geopotencjalnej (C) przez przeciętną wartość przyspieszenia normalnego (γ) wzdłuż linii pionu pola normalnego siły ciężkości. Cecha geopotencjalna odnosi się do różnicy potencjału normalnego pomiędzy elipsoidą ekwipotencjalną i telluroidą (U 0 - U Q ). W związku z tym, wysokość normalna (H N ) jest 48

49 jednocześnie odległością geometryczną elipsoidy ekwipotencjalnej od telluroidy (Rys. 3.3) [Hadaś, Bosy, 2009]: 0 Q N H C U U dh i stąd 0 H N C. (2-46, 2-47) W systemie wysokości ortometrycznych wysokością normalną punktu P jest iloraz liczby geopotencjalnej stanowiącej różnicę potencjału rzeczywistego quasigeoidy i fizycznej powierzchni Ziemi (W 0 - W P ) przez średnią wartość przyspieszenia grawitacyjnego (g), którą można zapisać w postaci [Czarnecki, 1997]: 0 P P C W W gdh, (2-48) gdzie: g przyspieszenie siły ciężkości odpowiadające wartościom (γ e ) i (γ p ). Wartość przyspieszenia normalnego wzdłuż wysokości normalnej oblicza się iteracyjnie względem H N ze wzoru [Hofmann-Wellenhof, Moritz, 2005]: N 2 H sin 2 N H N f m f H. (2-49) a a Dopełnieniem wysokości normalnej (H N ) do wysokości elipsoidalnej (h) jest anomalia wysokości (ξ), czyli odległość od powierzchni telluroidy do fizycznej powierzchni Ziemi wzdłuż linii pionu pola normalnego siły ciężkości albo odległość pomiędzy elipsoidą ekwipotencjalną, a quasi-geoidą wzdłuż normalnej do tej elipsoidy. Anomalię wysokości w danym punkcie (wyrażonego we współrzędnych geocentrycznych) oblicza się za pomocą wzoru [Heiskanen, Moritz, 1967; Rapp, 1997]: gdzie: T,, r potencjał zakłócający.,, r 0 T,, r, (2-50) W celu pełnego objaśnienia zagadnienia należy zdefiniować potencjał zakłócający (T). Jest to różnica potencjału rzeczywistego siły ciężkości (W (ϕ, λ, r)) i potencjału e 49

50 normalnego (U (ϕ, λ, r)). Ze względu na to, że elipsoida i geoida poruszają się z tą samą prędkością kątową, to potencjał odśrodkowy z ich różnicy zostaje wyeliminowany. Zatem potencjał (T) jest potencjałem grawitacyjnym i w przestrzeni zewnętrznej jest on funkcją harmoniczną (spełnia równanie Laplace a). W związku z powyższym potencjał zakłócający można przedstawić w postaci szeregu harmonicznych sferycznych: m n n GM a T r P C S r n2 m0r,, nm sin nm cosm nm sin m. (2-51) Aby z wyznaczonego odstępu quasi-geoidy od elipsoidy (ξ) uzyskać odstęp geoidy i elipsoidy (N), należy wykorzystać następujący wzór [Heiskanen, Moritz, 1967; Rapp, 1997]. gdzie: gba N,,, r H, (2-52) g BA poprawka na płytę płaskorównoległą Bouguer a. Ze względu na to, że punkty pomiarowe są położone na różnych wysokościach względem siebie, to wartości siły ciężkości wyznaczone w tych punktach nie są porównywalne. W tym celu wyniki pomiarów grawimetrycznych sprowadza się do jednego poziomu odniesienia, wykorzystując redukcję Bouguer a ( g BA ). Uwzględnia ona wysokość punktu oraz wpływ grawitacyjny mas znajdujących się nad przyjętym poziomem odniesienia. Anomalię Bouguer a można wyznaczyć rozwiązując poniższe równanie [Heiskanen, Moritz, 1967; Rapp, 1997]: lub: gdzie: g FA poprawka wolnopowietrzna Faye a, BA g g 2 G H, (2-53) BA FA,, 0,1119, g g H, (2-54) średnia wartość gęstości skorupy ziemskiej wynosząca 2,67 g 3 cm, 1 G stała grawitacyjna wynosząca FA 6, m. 2 kg s 50

51 Poprawka wolnopowietrzna Faye a w porównaniu z anomalią Bouguer a nie uwzględnia wpływu mas znajdujących się nad przyjętym poziomem odniesienia i zależy wyłącznie od wysokości punktu pomiarowego. Rys Związek między wysokością elipsoidalną, ortometryczną oraz normalną według [IGiK, 2016] 51

52 3. Hydrograficzny pomiar głębokości 3.1. Rozwój metod i urządzeń do pomiaru głębokości Do najważniejszych prac hydrograficznych należy pomiar głębokości obszarów morskich. Wynika to stąd, że zanurzenie większości jednostek pływających jest zbliżone do głębokości akwenów, po których się poruszają (szczególnie tyczy się to: portów, kanałów oraz torów podejściowych). Istotą prac batymetrycznych jest jednoczesne zlokalizowanie miejsca, w którym został wykonany pomiar głębokości. Na przestrzeni wieków następował rozwój metod i technik pomiarów batymetrycznych. Pierwsze tego typu pomiary prowadzili Egipcjanie. Około 3000 lat p.n.e. używali oni wodowskazów do określania stanu wody w Nilu. W związku z tym, że gospodarka starożytnego Egiptu była uzależniona od wylewów wody, to uzyskane informacje pozwalały określić, czy dany rok będzie suchy czy urodzajny. W Egipcie stosowano trzy typy wodowskazów: budowle znajdujące się pobliżu rzeki, schody wiodące do rzeki oraz specjalnie wybudowane obiekty w kształcie prostokątnej lub cylindrycznej studni, połączonej z rzeką dwoma lub trzema kanałami. W 1800 r. p.n.e. Egipcjanie zastosowali liny i drążki do pomiaru głębokości, o czym świadczą rysunki i szkice na grobowcach starożytnego Egiptu. W porównaniu z poprzednią metodą można było dokonywać pomiaru w niewielkiej odległości od brzegu [Grządziel, 2004; Theberge, 1989]. Przez następne kilkanaście wieków sonda ręczna (ołowianka) była podstawowym urządzeniem pomiarowym. Początkowo składała się z ołowianego ciężarka w kształcie stożka i wyskalowanej, nierozciągliwej linki konopnej. Sonda była opuszczana z pokładu statku i umożliwiała wyznaczenie głębokości w pojedynczym, wybranym punkcie akwenu. Przyrząd ten służył do lokalizacji niebezpieczeństw nawigacyjnych oraz do wykonywania bezpiecznego manewru kotwiczenia. Pierwszy znany pomiar głębokości morza dokonał w 1773 r. kapitan Constantine John Phipps, który opuścił z pokładu HMS Racehorse linę z 68 kg obciążeniem. Wyznaczył on głębokość morza równą 683 sążniom (1249 m). Natomiast pierwsze głębokowodne pomiary przy użyciu sondy ręcznej wykonał w latach: sir James Clark Ross. Uzyskał on głębokość morza równą 2677 sążniom (4896 m). W późniejszym okresie sonda była nawijana na wałek (szpulę) oraz na wciągarkę hydrograficzną. Obecnie jest 52

53 stosowana sporadycznie, w sytuacjach gdzie użycie echosond jest niemożliwe lub jej wyniki obarczone są dużymi błędami (np. wynikającymi z licznych zakłóceń pochodzących od listków bocznych emitowanych przez przetworniki). Sonda ręczna może być zastąpiona przez sprzęt akustyczny np. podczas podwodnego badania skał, na zboczach nabrzeży, przy falochronach i umocnieniach wałów piaskowych [Grządziel, 2004; Theberge, 1989]. W latach siedemdziesiątych XIX w. skonstruowano pierwsze mechaniczne urządzenia do pomiaru głębokości. Sondy mechaniczne były zbudowane z linki stalowej nawiniętej na bęben (wykonany z brązu) i przechodzącej przez linowy krążek zliczający (rejestrujący długość wyluzowanej liny), hamulca oraz ciężarka przymocowanego do końca drutu. Podczas wykonywania pomiaru lina musiała być napięta w momencie uderzenia o dno umożliwiając prawidłowe odczytanie głębokości z licznika zamontowanego na krążku pomiarowym. Wykorzystywano je nie tylko do pionowego pomiaru głębokości, ale również do zbierania niektórych danych oceanograficznych np. próbki dna, próbki wody, temperatury środowiska wodnego. Z tego powodu niektóre zaawansowane sondy mechaniczne musiały być obsługiwane przez kilku operatorów. Ponadto warto odnotować fakt, że za pomocą tego urządzenia oceanograf John Murray wykonał do 1912 r pomiarów głębokości powyżej 1000 sążni (1828,8 m) [Grządziel, 2004; Theberge, 1989]. Po I wojnie światowej nastąpił gwałtowny rozwój urządzeń akustycznych do pomiaru głębokości (akustyczne rejestratory głębokości i sonary). Na początku lat dwudziestych XX w. po raz pierwszy użyto echosondę jednowiązkową (ang.: Single Beam EchoSounder SBES). Cechowała ją niska częstotliwość sygnału oraz szeroka wiązka promieniowania, co przekładało się bezpośrednio na niską rozdzielczość. Początkowo echosondy pionowe wykorzystywano do poszukiwania i wykrywania podwodnych gór lodowych oraz okrętów. Z czasem wprowadzono echosondy o zwiększonej częstotliwości sygnału nadawczego oraz rozpoczęto produkcję przetworników (głównie piezoelektrycznych i magnetostrykcyjnych) o wąskiej charakterystyce promieniowania. Urządzenia SBES są nadal powszechnie stosowane i mierzą czas przebiegu impulsu dźwiękowego od rdzenia przetwornika (zamontowanego w kadłubie jednostki pomiarowej) do dna i z powrotem (Rys. 3.1). Impulsy rozchodzą się sferycznie w postaci fal ultradźwiękowych z zakresu khz. Tak wygenerowane sygnały po powrocie do przetwornika są zamieniane 53

54 na energię elektryczną. Po wzmocnieniu są wykorzystywane do określenia głębokości [Bowditch, 2002; Grządziel, Felski, 2014; Krajczyński, 2003]: gdzie: cw t d d, r (3-1) 2 d głębokość akwenu [m], c prędkość dźwięku w sondowanym akwenie [m/s], w t czas przebiegu impulsu do dna i z powrotem [s], d zapas wody pod stępką [m]. r Na Rys. 3.1 przedstawiono istotę działania echosondy jednowiązkowej. Rys Zasada pomiaru głębokości w echosondzie jednowiązkowej (opracowanie własne na podstawie: [Gucma i inni, 2005]) Klasyczny sondaż głębokości polega na pływaniu po zaplanowanych profilach (w odpowiednich odległościach) i jednoczesnym pozyskiwaniu danych batymetrycznych. Echosonda jednowiązkowa rejestruje głębokości w granicach śladu jaki zostawia wiązka na dnie. Stąd wadą tej metody jest brak informacji pomiędzy profilami. Aby ominąć mieliznę lub obiekt, które mogą się potencjalnie znajdować pomiędzy profilami sondażowymi, w trakcie pomiaru batymetrycznego wykorzystuje się dodatkowo sonar boczny. Dzięki szerokiej charakterystyce promieniowania urządzenie to umożliwia przykrycie dna w zakresie m [Grządziel, 2004]. W latach 70-tych i 80-tych XX w. rozpoczęto prace nad budową laserowego systemu batymetrycznego typu ALB/ALH (ang.: Airborne Lidar Bathymetry/Airborne Lidar Hydrography). Pierwotnie służył on do wykrywania obiektów zanurzonych 54

55 w wodzie, przeciwdesantowych konstrukcji technicznych oraz min morskich zlokalizowanych w strefach przybrzeżnych. Laserowy system hydrograficzny jest montowany na pokładzie statku powietrznego, który podczas lotu transmituje wiązkę laserową. Istota działania tego systemu polega na pomiarze różnicy czasu pomiędzy momentami odbioru dwóch impulsów rejestrowanych przez czujniki pokładowe. Wiązka o długości fali bliskiej podczerwieni (1064 nm) odbija się od powierzchni wody, natomiast wiązka światła zielonego (532 nm) penetruje wodę i odbija się od dna. Na podstawie tych danych można określić głębokość mierzonego akwenu (Rys. 3.2) [LaRocque, West, 1999]. Rys Zasada działania laserowego systemu batymetrycznego typu ALB/ALH (opracowanie własne na podstawie: [LaRocque, West, 1999]) Zaletami tej metody są: możliwość prowadzenia pomiarów batymetrycznych na akwenach trudnych lub niedostępnych pod względem nawigacyjnym. Zapewnia ona również szeroki pas pomiarowy (ang.: swath width) (Rys. 3.3) oraz wykonywanie sondaży z prędkościami dochodzącymi do 200 Nm/h. Laserowe pomiary hydrograficzne prowadzi się w strefie przybrzeżnej na głębokościach nieprzekraczających m (stopień penetracji zależy od czystości wody). Wadą tych systemów jest stosunkowo mała rozdzielczość, która zależy głównie od panujących warunków hydrologicznych i hydrometeorologicznych [Grabiec, 2005]. 55

56 Rys Porównanie szerokości wiązki przeszukania otrzymanej za pomocą sondy wielowiązkowej oraz systemu ALB/ALH według [LaRocque, West, 1999] Pod koniec lat 70-tych XX w. pojawiły się na rynku pierwsze urządzenia określane mianem echosondy wielowiązkowej (ang.: MultiBeam EchoSounder MBES). Charakteryzują się one możliwością wykonywania wielopunktowych pomiarów hydrograficznych w kierunku prostopadłym do ruchu jednostki pływającej. Szerokość pasa objętego tymi pomiarami zależy od zakresu promieniowania przetwornika oraz głębokości sondowanego akwenu. Zazwyczaj wynosi ona od 3 do 4 głębokości wody pod stępką (d r ). W porównaniu do sondażu z użyciem echosondy pionowej linie pomiarowe (tzw. profile podstawowe) są projektowane równolegle względem siebie i do lokalnych izobat. Odległości między nimi zależą od: szerokości pasa pomiarowego, głębokości akwenu oraz rozkładu prędkości dźwięku. Ponadto sąsiednie pasy pomiarowe powinny nakładać się na siebie z pokryciem wynoszącym ok. 25%. Poza kierunkowością propagacji fal kolejną zaletą echosond wielowiązkowych jest wysoka rozdzielczość. Z tego powodu wykorzystywane są zarówno w sondażach płytkowodnych, jak i głębokowodnych np. badanie stanu konstrukcji hydrotechnicznych, układanie kabli podwodnych i rurociągów, wsparcie prac pogłębiarskich [Grządziel, Felski, 2014]. Pomiar głębokości z wykorzystaniem MBES polega na pomiarze czasu przebiegu impulsu dźwiękowego od rdzenia przetwornika do dna i z powrotem oraz kąta odchylenia wiązki odbiorczej od linii pionu (θ ), zwanego kątem kierunkowym wiązki. W celu dokładnego wyznaczenia współrzędnych punktu pomiarowego należy posiadać informacje dotyczące: rozkładu prędkości dźwięku na poziomie przetwornika i w kolumnie wody, położenia oraz przechyłów kątowych (głównie poprzecznego) jednostki pływającej. Za pomocą poniższych zależności można wyznaczyć położenie (y, z) jednego punktu pomiaru głębokości, przy założeniu, 56

57 że początek układu współrzędnych znajduje w miejscu generowania wiązki akustycznej przez przetwornik [Grządziel i inni, 2015; Hare i inni, 1995]: gdzie: cw t r, 2 (3-2) cw t y r' sin ' sin ', 2 (3-3) cw t h r ' cos ' dr cos ' dr 2 z, (3-4) y współrzędna poprzeczna punktu pomiaru głębokości [m], z współrzędna pionowa punktu pomiaru głębokości [m], r ' odległość dzieląca przetwornik a punkt padania wiązki akustycznej na dno [m]. Na Rys przedstawiono istotę działania echosondy wielowiązkowej. Rys Zasada pomiaru głębokości w echosondzie wielowiązkowej (opracowanie własne na podstawie: [Grządziel i inni, 2015]) Zastosowanie echosond wielowiązkowych regulują dwa źródła zaleceń: krajowe (Polski Rejestr Statków PRS, Polski Komitet Normalizacyjny PKN) oraz międzynarodowe (IMO). Przykładowo IMO opracowało normy dla echosond, które zostały przyjęte w postaci rezolucji A.224(VII) oraz MSC.74(69). Od 2015 r. wszystkie statki o polskiej przynależności (objęte nadzorem konwencyjnym PRS) muszą przestrzegać powyższych uchwał. Ponadto obowiązuje norma techniczna PN-EN ISO 9875, która została ustanowiona w 2005 r. i przyjęta przez PKN. W Tab. 3.1 zaprezentowano podstawowe charakterystyki techniczne dla echosond wielowiązkowych. 57

58 Tab Zestawienie norm i wytycznych dotyczących echosond nawigacyjnych [PN-EN ISO 9875:2005; PRS, 2015] Zakres głębokości Parametr Skala zakresu dla małych głębokości Skala zakresu dla dużych głębokości Dokładność pomiaru dla małych głębokości Dokładność pomiaru dla dużych głębokości Wymagania* m 20 m 200 m ± 0,5 m ± 2,5% głębokości ± 5 m ± 2,5% głębokości * wymagania przyjęte przez IMO, PRS i PKN są identyczne (do 2005 r. były całkowicie odmienne) 3.2. Błędy pomiaru głębokości Wyróżnia się cztery główne źródła błędów związane z pomiarem głębokości [Gucma i inni, 2005]: nachylenie dna; kołysanie jednostki pływającej; kształt odbieranego impulsu; rzeczywista prędkość dźwięku. Przy nachyleniu dna α > 8 i szerokości kąta przeszukania θ > 30 rejestrowana przez echosondę nawigacyjną głębokość nie będzie równa d tylko d [Krajczyński, 1980]. Opisaną sytuację przedstawiono na Rys Rys Wpływ nachylenia dna na odczyt głębokości (opracowanie własne na podstawie: [Gucma i inni, 2005]) 58

59 Jeżeli θ α to poprawka głębokości ( d) wynosi: przy założeniu, że: Δd = d - d', (3-5) d ' d i stąd cos ' 1 d d' 1 cos '. (3-6, 3-7) Kołysanie jednostki pływającej powoduje, że echosonda emituje sygnały, które nie są prostopadłe do dna. W celu usunięcia tego błędu należy [Gucma i inni, 2005]: umieścić przetwornik w osi symetrii statku; wykorzystać niższe częstotliwości pracy przetwornika; zaprojektować charakterystykę promieniowania przetwornika w taki sposób, aby kierunek odniesienia pokrywał się z osią symetrii statku. Warunek ten zostanie spełniony jeżeli ε = β = θ /2 (Rys. 3.6). Rys Geometria wiązki odbitej od dna (opracowanie własne na podstawie: [Gucma i inni, 2005]) Ponadto wpływ na pomiar głębokości ma charakterystyka przetwornika nadawczego. Jeżeli na jednostce znajdują się dwa przetworniki (nadawczy i odbiorczy) odsunięte od siebie o J, to minimalna mierzona głębokość, która umożliwi powrót odbitej energii do odbiornika echosondy wynosi [Urick, 1983]: d min J. ' 2 tan 2 (3-8) Odbierany sygnał przez przetwornik osiąga maksymalną amplitudę A max w czasie T max (wynoszący ok. 5 ms). Przekłada się to na błąd pomiaru odległości rzędu 40 cm 59

60 [Krajczyński, 1980]. W nowoczesnych echosondach nawigacyjnych jest on minimalizowany przez mikroprocesor oraz przez operatora wybierającego wyższe wzmocnienie. Prędkość dźwięku w wodzie jest funkcją nieliniową i zależy od zasolenia, temperatury oraz ciśnienia (c w = c w (S, T, P)). Może być wyznaczona za pomocą metod bezpośrednich z dokładnością wyższą niż c w = ± 0,03 m/s, mierników prędkości ultradźwięków np. MPU-10, SHL-100, CTD, diagramu wpływu temperatury i zasolenia lub dokładnego wzoru empirycznego Wilsona (jego dokładność szacuje się na ok. ± 0,3 m/s) [Makar, 2008; Wilson, 1962]: gdzie:,, 1449,14.T.P c S T P c c c c, (3-9) w S T P S S zasolenie [ ], T temperatura [ C], P ciśnienie [kg/cm 2 ], natomiast pozostałe składniki tego wzoru wyrażają poprawki na inne warunki, odbiegające od standardowych: 3 2 c 1,39799 S 35 1, S 35, (3-10) S ct 4,5721 T 4, T 2, T 7, T, (3-11) cp 1, P 1, P 3, P 3, P, (3-12) cs. T. P S 35 1, T 7, T 7, P 1, P 3,15810 P T 1,57910 P T P T T T , , , P 2, T 1, T (3-13) 3 P 1, T. Głównym czynnikiem wpływającym na rozkład prędkości w wodzie jest różnica temperatur w poszczególnych porach roku. Zmiany te mają charakter długookresowy (sezonowy) oraz krótkookresowy (dobowy). W przypadku zmian sezonowych prędkość dźwięku w okresie zimowym wzrasta wraz z głębokością, natomiast w pozostałych porach roku odnotowuje się odwrotną tendencję. W ciągu doby różnica temperatur jest wywołana przede wszystkim nagrzewaniem warstwy wody przez słońce (efekt 60

61 popołudniowy), co można zauważyć na głębokościach do 15 m (Rys. 3.7b). Przykładowo w Zatoce Gdańskiej na profilu zachód-wschód zmiany prędkości dźwięku w sezonie letnim wynoszą ok. 45 m/s, a w ciągu dnia ok. 20 m/s (przy czym na głębokościach od 15 do 70 m niespełna 10 m/s) [Makar, Naus, 2003]. Rys Zakres zmian prędkości dźwięku w okresie letnim o charakterze sezonowym (po lewej) i dobowym (po prawej) na Zatoce Gdańskiej według [Makar, Naus, 2003] 3.3. Systemy pozycjonowania pomiarów hydrograficznych Aktualnie podstawowym systemem pomiarów hydrograficznych jest system DGPS, który został wszechstronnie opisany w literaturze [Specht, 2011; Specht, 2015; Śniegocki i inni, 2014]. Jednakże w ostatnich latach, na akwenach przybrzeżnych powszechnie rozpoczęto stosować systemy geodezyjne GNSS. Dominującym trendem światowym początku XXI w. stało się uruchamianie przez organy do spraw geodezji poszczególnych państw, aktywnych sieci narodowych z przeznaczeniem oferowania dla użytkowników odpłatnych lub nieodpłatnych usług (serwisów), w tym również czasu rzeczywistego [Cord-Hinrich, 2008; Greaves i inni, 2003]. Umożliwiają one określanie położenia na obszarze całych państw w jednolitym, krajowym systemie odniesień przestrzennych. Dzięki opracowaniu w 2004 r. dwóch międzynarodowych standardów [RTCM, 2004a; 2004b] transmisji danych przeznaczonych dla sieci telekomunikacyjnej i użytkownika, realizacja tego rozwiązania mogła być technicznie możliwa. Polski Główny Urząd Geodezji i Kartografii podjął się bardzo ambitnego wyzwania realizacji Aktywnej Sieci Geodezyjnej ASG-EUPOS, będącej narodową siecią permanentnych stacji GNSS oferującą serwisy dla geodezji i nawigacji [Bosy i inni, 2008]. Inwestycję zrealizowano do kwietnia 2008 r., a zakończyły ją pomyślnie testy serwisów i infrastruktury teleinformatycznej [Specht i inni, 2008]. Sieć ta 61

62 umożliwia wyznaczenie położenia w dowolnym miejscu w kraju z dokładnościami na poziomie 2-3 cm. Pomimo wdrożenia systemu ASG-EUPOS na terenie całego kraju (blisko 100 stacji referencyjnych) jego zasadniczą wadą była możliwość wykorzystania jedynie satelitów konstelacji GPS, której użycie przez jednostki hydrograficzne było bardzo utrudnione (lub często niemożliwe) w pobliżu przeszkód terenowych (budowle hydrotechniczne, zapory, wysoka roślinność lub inne obiekty w pobliżu brzegu rzeki). Dopiero w latach: uruchomiono dodatkowe, komercyjne geodezyjne sieci satelitarne (Leica SmartNet, Topcon TPI NETpro, Trimble Net), które wykorzystują wszystkie dostępne systemy satelitarne (GPS, GLONASS, BDS, Galileo). Dzięki temu średnia liczba dostępnych satelitów przez odbiornik wynosi typowo sztuk, powodując możliwość realizacji precyzyjnych wyznaczeń pozycji (dokładność do 2 cm) bezpośrednio przy wspomnianych obiektach Wymagania dokładnościowe dla realizacji pomiarów hydrograficznych w strefie przybrzeżnej W Polsce dokumentem regulującym zasady prowadzenia prac hydrograficznych jest standard IHO S-44, który dotyczy pomiarów morskich. Należy zauważyć, że jeszcze nie opracowano standardu dotyczącego pomiarów na wodach śródlądowych. Najnowsza, piąta wersja tego standardu została opublikowana w lutym 2008 r. W dokumencie zdefiniowano podstawowe metody prowadzenia pomiarów hydrograficznych oraz dokonano klasyfikacji akwenów, którym są przypisane minimalne wymagania dokładnościowe. Wyróżnia się cztery kategorie akwenów [IHO, 2008; Stateczny, 2012; Stateczny i inni, 2012]: kategoria specjalna jest to najbardziej rygorystyczna kategoria pomiarów batymetrycznych. Dotyczy ona obszarów, gdzie zapas wody pod stępką jest bardzo istotny np. cumowiska, porty oraz kanały. Skutkiem niskiego zapasu wody pod stępką jest konieczność wykrywania obiektów (przeszkód nawigacyjnych) w kształcie sześcianu o boku większym niż 1 m. Dla tej kategorii konieczne jest przeszukanie całego badanego akwenu w celu odnalezienia przeszkód nawigacyjnych; kategoria 1a dotyczy obszarów płytkowodnych, w których głębokość nie powoduje krytycznej wartości bezpiecznej wody pod stępką dla przechodzących 62

63 jednostek, jak ma to miejsce w kategorii specjalnej. W związku z tym, system pomiarowy powinien być zdolny do wykrywania przeszkód nawigacyjnych w kształcie sześcianu o boku większym niż 2 m na głębokościach do 40 m oraz o boku równym 10% głębokości poniżej 40 m. Dla tej kategorii konieczne jest przeszukanie całego badanego akwenu w celu odnalezienia przeszkód nawigacyjnych; kategoria 1b dotyczy akwenów o głębokościach mniejszych niż 100 m, dla których zapewniony jest z nadmiarem bezpieczny zapas wody pod stępką. Dla tej kategorii nie jest wymagane pełne pokrycie akwenu sondażem, co oznacza dopuszczalność pominięcia niebezpieczeństw nawigacyjnych. Maksymalnie dopuszczalne rozmiary wykrywanych obiektów podwodnych ograniczone są gęstością (odległością) pomiędzy profilami sondażowymi; kategoria 2 jest to najmniej rygorystyczna kategoria pomiarów batymetrycznych. Dotyczy ona obszarów, których dno jest położone na głębokości poniżej 100 m. Kategoryzacja akwenów sondażowych skutkuje zróżnicowanymi wymaganiami realizacyjnymi będącymi funkcjami wymaganej dokładności systemu hydrograficznego oraz rodzaju realizowanych prac hydrograficzno-topograficznych. Sumaryczne wymagania zawarto w Tab Tab Wymagania dla realizacji prac hydrograficznych według [IHO, 2008] Kategoria Specjalna 1a 1b 2 Maksymalny dopuszczalny błąd poziomy 5 m + 5% 5 m + 5% 20 m + 10% 2 m (THU)* głębokości głębokości głębokości Maksymalny dopuszczalny błąd pionowy (TVU)* a = 0,25 m b = 0,0075 a = 0,5 m b = 0,013 a = 0,5 m b = 0,013 a = 1 m b = 0,023 Dokładność określenia pozycji środków oznakowania nawigacyjnego i obiektów 2 m 2 m 2 m 5 m topograficznych ważnych dla nawigacji* Dokładność określenia pozycji linii brzegowej i elementów topograficznych 10 m 20 m 20 m 20 m o mniejszym znaczeniu dla nawigacji* Dokładność określenia pozycji pływających środków oznakowania nawigacyjnego* 10 m 10 m 10 m 20 m * 95% poziom ufności 63

64 W omawianym standardzie zakłada się, że rozkłady statystyczne błędów wyznaczeń współrzędnych pozycji i wysokości realizują rozkład normalny Gaussa i są reprezentowane przez odchylenie standardowe wynoszące: gdzie: i1 x 2 i x n 1, (3-14) n 1 n liczba elementów w próbie, x kolejne wartości danej zmiennej losowej w próbie, x średnia arytmetyczna z próby. Dla poziomu ufności 95% błąd pionowy jest równy wartości 1,96 σ, natomiast błąd poziomy 2,45 σ. Ponadto maksymalny dopuszczalny błąd pionowy (TVU) wyznacza się na podstawie poniższego wzoru [IHO, 2008]: gdzie: 2 2 TVU a b h, (3-15) a niepewność pomiaru, która nie zależy od głębokości [m], b współczynnik niepewności pomiaru zależny od głębokości [-], bh niepewność pomiaru, która zależy od głębokości [m]. Realizacja współczesnych pomiarów hydrograficznych w zakresie pozycjonowania oparta jest zasadniczo o morskie stacje DGPS oraz rozwiązania względne (GPS Total Station) wykorzystujące techniki RTK. Warto zwrócić uwagę, iż nowoczesne morskie stacje referencyjne DGPS umożliwiają uzyskiwanie dokładności na poziomie submetrowym stąd, biorąc pod uwagę relatywnie niską cenę odbiorników mogą być z powodzeniem stosowane na akwenach wszystkich kategorii IHO. Stosowanie rozwiązań aktywnych sieci geodezyjnych (np. ASG-EUPOS), czy dedykowanych instalacji GPS/RTK nie wydaje się tu konieczne. Natomiast w przypadku realizacji sondażu śródlądowego zastosowanie aktywnych sieci geodezyjnych jawi się tu konieczne. Jednakże warto zauważyć, iż rozwiązania sieciowe GPS oferują najczęściej kilka serwisów czasu rzeczywistego (fazowe, kodowe), z których uzyskiwanie submetrowych dokładności, nawet przy wykorzystaniu pomiarów kodowych również nie powoduje konieczności stosowania serwisów fazowych, o relatywnie drogim odbiorniku ruchomym. 64

65 4. Analiza porównawcza metod wyznaczania przebiegu linii podstawowej wybrane uwarunkowania metod pomiaru 4.1. Klasyczne metody pomiarów hydrograficznych Wykonywanie map morskich akwenów śródlądowych, jak również wyznaczanie przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego związane jest, w znaczącej części, z pomierzeniem głębokości toni wodnej wraz z przypisanymi do niej współrzędnymi geograficznymi. Takie pomiary wykonuje się najczęściej z użyciem sondy hydroakustycznej wraz z precyzyjnym systemem pozycjonowania. Współcześnie prezentowana metodyka klasycznych pomiarów hydrograficznych (batymetrycznych) zakłada realizację pomiarów z wykorzystaniem załogowej jednostki pływającej. Pomiar polega na prowadzeniu jednostki hydrograficznej po tzw. profilach pomiarowych (Rys. 4.1a) stanowiących równoodległe względem siebie odcinki (co kilka lub kilkanaście metrów), które są prostopadłe do brzegu (zgodnie z największym gradientem głębokości). Ze względu na zanurzenie małych jednostek hydrograficznych (ok. 0,5 m i więcej) oraz umieszczenie na ich dziobie przetworników echosond, pomiarów dla głębokości poniżej 1 m praktycznie się nie wykonuje. Skutkuje to uszkodzeniem aparatury pomiarowej oraz powstaniem dużych obszarów, dla których nie pozyskano danych pomiarowych (Rys. 4.1b). Rys Profile sondażu hydroakustycznego (po lewej) oraz strefa pozbawiona ze względu na głębokość danych pomiarowych (po prawej) według [Makar, Naus, 2003] 65

66 W efekcie otrzymuje się mapę batymetryczną akwenu, na której wszystkie izobaty dla małych głębokości są od siebie równoodległe. Jest to efekt liniowej interpolacji pomiędzy linią brzegową (głębokość 0 m) a pomiarami realizowanymi do izobaty 1 m. Tab Wykaz jednostek hydrograficznych będących w posiadaniu urzędów morskich oraz Dywizjonu Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej RP wraz z ich zanurzeniem (opracowanie własne) Właściciel Parametry Zdjęcie Dywizjon Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej RP Kutry hydrograficzne: K-4, K-10, rok produkcji: , wymiary: 18,7 x 4,5 x 1,5 m Okręt hydrograficzny: ORP Arctowski, rok produkcji: 1982, wymiary: 61,6 x 10,8 x 3,3 m Okręt hydrograficzny: ORP Heweliusz, rok produkcji: 1981, wymiary: 61,6 x 10,8 x 3,3 m Motorówki hydrograficzne: Wildcat-40, rok produkcji: 2014, wymiary: 12,8 x 4,8 x 1,3 m Kutry hydrograficzne: Hydrograf-7, Hydrograf-10, rok produkcji: , wymiary: 17,81-18,09 x 4,2-4,29 x 1,5-1,9 m Łódź hydrograficzna: Sonar-4, rok produkcji: 2010, wymiary: 10,5 x 3,16 x 0,9 m Urząd Morski w Gdyni Motorówka inspekcyjno-patrolowa: Kontroler-20, rok produkcji: 2014, wymiary: 20,34 x 5,79 x 1,7 m Statek inspekcyjno-kontrolny: Kontroler-8, rok produkcji: 1971, wymiary: 20,58 x 4,38 x 1,15 m Stawiacze pław: s/v Zodiak, s/v Tucana, rok produkcji: , wymiary: 21,87-61,33 x 5,7-10,83 x 2,1-3,27 m Urząd Morski w Słupsku Łódź hydrograficzna: Hydrograf-1, rok produkcji: 2012, wymiary: 10,5 x 3,5 x 0,7 m Katamaran hydrograficzny: m/s Kastor, rok produkcji: 2007, wymiary: 12,1 x 4,8 x 0,7 m Urząd Morski w Szczecinie Kutry hydrograficzne: m/s Galaktyka, m/s Wega, rok produkcji: , wymiary: 17,64-29,2 x 5,7-6,82 x 1,75-1,8 m Motorówki hydrograficzne: Hydrograf-22, Hydrograf-27, MOT-UMS-2, rok produkcji: , wymiary: 10,89-10,97 x 3,41-3,42 x 0,6-0,72 m Jednostka inspekcyjno-patrolowa: Magda, rok produkcji: 2012, wymiary: 14,95 x 4,7 x 1,5 m Stawiacze pław: m/s Planeta, m/s Syriusz, rok produkcji: , wymiary: 21,64-55,21 x 8,8-10,81 x 1,8-3,19 m 66

67 W celu oceny możliwości realizacji pomiarów linii podstawowej morza terytorialnego dokonano przeglądu wszystkich jednostek hydrograficznych w Polce będących w posiadaniu urzędów morskich oraz Dywizjonu Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej RP. Ich dane (a w szczególności zanurzenie) zaprezentowano w Tab Analiza zaprezentowanych danych dowodzi, że żadna z instytucji odpowiedzialnych za realizację pomiarów linii podstawowej w Polsce nie dysponuje jednostką hydrograficzną zdolną do realizacji pomiarów na akwenach ultra-płytkich. Zatem wykorzystanie w Polsce pływającej jednostki załogowej dla wyznaczania przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego jest aktualnie niemożliwe, stąd zasadnym jest rozważenie metod alternatywnych Metody pomiarów geodezyjnych Alternatywną metodą pomiaru, należącą do grupy metod klasycznych, jest pomiar geodezyjny polegający na pomiarach linii podstawowej z wykorzystaniem odbiornika geodezyjnego GNSS. Polega on na pomiarach techniką stop and go poprzez wchodzenie w toń morską mierniczego, aż do głębokości odpowiadającej przebiegowi linii podstawowej. W 2000 r. zrealizowano w Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni (AMW) projekt badawczy pt. Modernizacja infrastruktury niezbędnej dla wyznaczania granic morza terytorialnego Rzeczpospolitej Polskiej, w ramach którego wyznaczano przebieg linii podstawowej tą metodą [Specht, Czaplewski, 1999]. Koncepcja tej metody polegała na: wyznaczeniu współrzędnych linii brzegowej w układzie WGS 84; wykonaniu współrzędnych WGS 84 na profilach prostopadłych do linii brzegowej do głębokości odpowiadającej linii podstawowej morza terytorialnego; kameralnym opracowaniu wyników (oprogramowanie Leica SKI v. 2.3). Do wykonania postawionego zadania wykorzystano zestaw pomiarowy składający się z dwóch odbiorników dwuczęstotliwościowych Leica SR Opracowanie wyników pomiarów wykonano w oparciu o oprogramowanie Leica SKI v

68 Rys Stacja referencyjna i odbiornik ruchomy zestawu Leica SR 9500 wykorzystane do pomiaru przebiegu linii podstawowej według [Specht, Czaplewski, 1999] Dla przeprowadzenia pomiarów wybrano techniki pomiarowe GPS: static oraz stop and go. Sesje pomiarowe były poprzedzone szczegółowym planowaniem w oparciu o oprogramowanie sprzętowe (SKI v. 2.3). Prace terenowe wykonano w dwóch etapach: etap I wyznaczenie współrzędnych WGS 84 punktów osnowy pomiarowej; etap II wyznaczenie współrzędnych WGS 84 linii brzegowej i podstawowej na wyznaczonych fragmentach odcinka doświadczalnego. W ramach etapu I założono osnowę pomiarową w oparciu o punkty: Rozewie, Władysławowo, Kuźnica, Jastarnia. Punkty osnowy pomiarowej były tak dobierane, aby rejon ich wyznaczenia nie był obszarem zalesionym lub zabudowanym, a linia bazy między punktami wynosiła do 10 km. W celu wyznaczenia współrzędnych punktów osnowy pomiarowej wykonano cztery statyczne sesje pomiarowe. Współrzędne punktów osnowy pomiarowej wyznaczono w oparciu o punkt EURREF-POL 301 w Rozewiu. Tab Współrzędne kartezjańskie i geodezyjne punktu EUREF 301 według [Specht, Czaplewski, 1999] Współrzędne kartezjańskie Współrzędne geodezyjne X Y Z B L H , , , ,01589 N , E 70,807 68

69 W oparciu o wyznaczone punkty osnowy pomiarowej wykonano osiem sesji pomiarowych wybranych odcinków polskiego wybrzeża: od Rozewia do Władysławowa; północny i wschodni falochron w porcie Władysławowo; 700-metrowy odcinek plaży na wschód od portu Władysławowo; 4-kilometrowy odcinek plaży w Kuźnicy; 3-kilometrowy odcinek plaży w Jastarni. Wyznaczanie linii podstawowej i brzegowej przeprowadzono etapami: etap IIa wyznaczenie kształtu linii brzegowej; etap IIb wyznaczenie profili prostopadłych do linii brzegowej. W etapie IIa wyznaczono linię brzegową poprzez pomiar współrzędnych na granicy strefy przyboju i plaży. Współrzędne wyznaczano z interwałem nie większym niż 100 m. Jeżeli odcinek wybrzeża był prosty to interwał był zbliżony do wartości wcześniej założonej. Jeżeli odcinek wybrzeża wykazywał nieregularności to interwał między punktami pomiarowymi był na tyle mały, aby w wystarczający sposób dostrzec zmiany w kształcie linii brzegowej. W etapie IIb wyznaczano profile prostopadłe do linii brzegowej. Długość profili była funkcją głębokości akwenu i średniego stanu morza. Przed rozpoczęciem sesji pomiarowych odczytywano stan morza z mareografu umieszczonego w porcie Władysławowo. Ponieważ linia podstawowa morza terytorialnego jest umieszczona na głębokości 0,9 m poniżej średniego stanu morza, to wielkość odczytywana z mareografu pozwalała określić aktualną na dany dzień głębokość, na której znajduje się linia podstawowa. Po wyznaczeniu w rejonie pomiarów pozycji odpowiadającej aktualnej głębokości położenia linii podstawowej, określano długość profili pomiarowych odległość od linii brzegowej do linii podstawowej była powiększana o średnio 10-metrowy odcinek w stronę lądu. Na tak wyznaczonym profilu wyznaczano współrzędne punktów z interwałem 5-metrowym (Rys. 4.3). Pozwoliło to na jednoznaczne wyznaczenie punktów linii podstawowej morza terytorialnego na wyznaczonych profilach pomiarowych. 69

70 h [m] przekrój - Władysławowo 30 29,8 29,6 29,4 29, ,8 28, odległość [m] Rys Przykładowy przekrój terenu według [Specht, Czaplewski, 1999] Odległość między profilami wyznaczono dwojako: 500-metrowy interwał dla równej linii brzegowej; dla linii brzegowej o urozmaiconym kształcie profile były wyznaczane w pobliżu miejsc załamania linii brzegowej. Na Rys. 4.4 zaprezentowano szkic pomiarów zrealizowanych w 1999 r. Rys Przebieg linii brzegowej wraz z naniesionymi profilami pomiarowymi w okolicy portu we Władysławowie według [Specht, Czaplewski, 1999] Podsumowując aktualne ograniczenia klasycznych metod pomiarowych w hydrografii w kontekście pomiaru linii podstawowej należy stwierdzić: jednostki hydrograficzne, ze względu na zanurzenie, nie wykonują w rzeczywistości pomiarów batymetrycznych dla głębokości poniżej 1 m; 70

71 powszechne w hydrografii sporządzanie map sondażowych (pozbawionych rzeczywistych danych pomiarowych akwenów ultra-płytkich) realizowane jest przy błędnym założeniu liniowego spadku głębokości w obszarze najmniejszych głębokości (0-1 m); znaczne rozmiary części nadawczych systemów batymetrycznych (przetworników echosond i sonarów) uniemożliwiają wykonanie pomiarów na akwenach płytkowodnych; brak w Polsce precyzyjnego systemu pozycjonowania jednostki pomiarowej pracującego w czasie rzeczywistym o oczekiwanej dokładności wyznaczenia współrzędnych pozycji poniżej 5 cm (2DRMS); znaczne ograniczenie (niska dokładność lub brak rozwiązania pozycyjnego przez odbiornik ze względu na niską liczbę satelitów) możliwości pozycjonowania pomiarowej jednostki badawczej z wykorzystaniem jedynie systemu GPS, w bliskiej odległości od przeszkód terenowych (zapory, budowle hydrotechniczne, roślinność itd.), uzasadnia wykorzystanie wielosystemowych rozwiązań GNSS; zastosowanie geodezyjnych metod pomiarowych GNSS umożliwia realizację pomiaru linii podstawowej, jednakże wymaga od mierniczego realizacji ich w toni morskiej; metoda geodezyjna zapewnia bardzo wysokie dokładności pomiarów. Przedstawione powyżej ograniczenia skłaniają do rozważenia wykorzystania bezzałogowych jednostek hydrograficznych, dostępnych od kilku lat na rynku, których szczególne cechy konstrukcyjne (małe zanurzenie oraz znaczna efektywność czasowa realizacji pomiarów) uzasadniałyby ich zastosowanie do pomiaru linii podstawowej morza terytorialnego Wykorzystanie bezzałogowej jednostki hydrograficznej Jednostki bezzałogowe w hydrografii Początek XXI w. to era wykorzystania jednostek bezzałogowych w różnych aplikacjach pomiarowych. Współczesne autonomiczne i bezzałogowe jednostki pływające (ang.: Autonomous Survey Vessel ASV, Unmanned Survey Vessel USV) to różnorodne rozwiązania konstrukcyjne w zakresie budowy kadłuba oraz napędu 71

72 jednostki: jednokadłubowe, dwukadłubowe z napędem śrubowym lub bezśrubowym o małym zanurzeniu. Umożliwiają one wpłynięcie w akwen trudnodostępny ze względu na występowanie płytkowodzia [Romano, Duranti, 2012]. Pomiary batymetryczne jako element pomiarów hydrograficznych (ukierunkowanych na pomiar ukształtowania dna) wymagają odpowiedniej dokładności określenia pozycji [IHO, 2008], stąd zastosowanie jednostek bezzałogowych w hydrografii można dziś traktować jako początek nowej ery w tym zakresie. W zależności od wielkości oraz wyporności jednostki bezzałogowej istotną wagę odgrywa tu wyposażenie (w szczególności przetworniki echosond jedno i wielowiązkowych). Echosondy pionowe, mogące tu znaleźć zastosowanie, są to małe urządzenia i zazwyczaj nie wymagają stosowania kompensatorów zakłóceń ruchu (ang.: Motion Reference Unit MRU) do wyznaczania orientacji przestrzennej. W związku z tym, mogą być montowane na mniejszych jednostkach pływających [Makar, Naus, 2003]. Natomiast echosondy wielowiązkowe są umieszczane na większych jednostkach pomiarowych. Bezzałogowa jednostka hydrograficzna to zdalnie sterowany pojazd pływający, sterowany radiowo, umożliwiający sprzętową integrację z odbiornikiem fazowym GNSS oraz echosondą pionową (wyposażenie minimalne). Przeznaczony jest on do realizacji pomiarów hydrograficznych: basenów portowych, rzek, jezior oraz małych zbiorników wodnych. Analiza porównawcza współcześnie stosowanych jednostek tego typu pozwoliła na określenie ich preferowanych charakterystyk technicznych i eksploatacyjnych, którymi są: zasilanie elektryczne silników zapewniające minimalną autonomiczność 6 h; zasięg min. 1 km; sterowanie radiowe; prędkość min. 5 węzłów; rekomendowane wymiary: 150 x 100 cm; dopuszczalna masa obiektu, umożliwiająca jego swobodne przenoszenie 40 kg; preferowana jest jednostka dwukadłubowa; możliwie maksymalna dzielność morska. 72

73 Przykładowe jednostki zaprezentowano na Rys Seafloor EchoBoat-ASV Seafloor HyDrone-ASV Seafloor EchoBoat-RCV Rys Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne bezzałogowych jednostek hydrograficznych Należy w tym miejscu podkreślić, iż dostępne na rynku jednostki w większości przypadków wymagają sterowania bezpośredniego, co oznacza, że utrzymanie jej na profilu sondażowym wymaga od operatora nabycia odpowiednich w tym względzie umiejętności. Jednakże aktualnie dostępne są również w sprzedaży bezzałogowe jednostki hydrograficzne, które umożliwiają realizację pomiarów (misji) w sposób w pełni autonomiczny. To rozwiązanie opisane zostanie w jednym z kolejnych podrozdziałów Wymagania sprzętowe stawiane bezzałogowym jednostkom dla pomiaru linii podstawowej W niniejszej części przeprowadzona zostanie analiza techniczna bezzałogowych jednostek hydrograficznych oraz ich wyposażenia, które umożliwia wykonanie założonego pomiaru. Należy przyjąć, że minimalne wyposażenie techniczne umożliwiające wykonanie pomiarów linii podstawowej morza terytorialnego (niezbędne do umieszczenia na jednostce bezzałogowej) obejmuje: odbiornik GNSS wykorzystujący geodezyjną sieć GNSS; miniaturową echosondę pionową. Rozwiązanie ideowe, które zapewniałoby możliwość realizacji pomiarów batymetrycznych z wykorzystaniem sieci geodezyjnych GNSS mogłoby się składać z następujących elementów: podstawowy system pozycjonowania wykorzystujący geodezyjną komercyjną sieć GNSS Leica SmartNet, który ma możliwość zapewnienia rozwiązania sieciowego odbiornikowi GNSS (umieszczonego na jednostce pływającej) 73

74 z wykorzystaniem dwóch systemów satelitarnych jednocześnie: GPS oraz GLONASS. Należy nadmienić, że lokalizacja stacji referencyjnych tej sieci jest najbardziej korzystna z punktu widzenia wykorzystania jej na akwenach morskich (pokrycie akwenu Zatoki Gdańskiej przez rozwiązanie sieciowe); zapasowy system pozycjonowania wykorzystujący geodezyjną sieć GNSS ASG-EUPOS, który ma możliwość zapewnienia rozwiązania sieciowego odbiornikowi GNSS (umieszczonego na jednostce pływającej) z wykorzystaniem do niedawna tylko systemu GPS. Aktualnie trwa modernizacja tej sieci w celu zapewnienia rozwiązania GPS oraz GLONASS; awaryjny (rezerwowy) system pozycjonowania własna stacja referencyjna (umieszczona np. na budynku Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni). Rozwiązanie to uniemożliwia wykorzystanie rozwiązania sieciowego, co skutkuje zmniejszaniem dokładności wyznaczenia pozycji jednostki hydrograficznej wraz z oddalaniem się od stacji; stacja monitorująca której zadaniem jest kontrola wiarygodności rozwiązania pozycyjnego realizowanego przez sieć GNSS, a w przypadku przekroczenia zdefiniowanych progów alarmowych (zbyt duży błąd pozycji, niski poziom sygnału itd.) przesłania ostrzeżenia do osoby wykonującej pomiar. Na Rys. 4.6 umieszczono ją przykładowo w Kapitanacie Portu Gdańsk. Rys Lokalizacja stacji referencyjnych sieci GNSS, stacji awaryjnej oraz stacji monitorującej dla przykładowego akwenu (opracowanie własne) Wykorzystanie stacji monitorującej (której dotychczas nie posiada żadna z geodezyjnych sieci GNSS) jest niezbędne w celu zapewnienia wiarygodności pomiarów hydrograficznych i geodezyjnych. Owa wiarygodność pomiarów jest 74

75 podstawowym elementem wyznaczenia pozycji w geodezji, jak również w nawigacji. Na Rys. 4.7 zaprezentowano okno programu takiej stacji. Rys Koncepcja głównego ekranu stacji kontroli wiarygodności podsystemu precyzyjnego pozycjonowania pomiarów hydrograficznych według [Specht, Nowak, 2012] Podstawowym elementem pomiarowym bezzałogowej jednostki hydrograficznej winien być sieciowy odbiornik GNSS, który powinien być przede wszystkim zdolny do integracji sprzętowej z dronem hydrograficznym, ponadto powinien posiadać możliwość pracy jako autonomiczne urządzenie pomiarowe (odbiornik + tyczka i statyw ze spodarką + kontroler). Poniżej zaproponowano wybrane charakterystyki odbiornika GNSS, rekomendowane (optymalne) dla jego wykorzystania podczas pomiarów linii podstawowej: sygnały satelitarne: odbiór wszystkich istniejących i planowanych konstelacji GNSS oraz systemów wspomagających: GPS: L1C/A, L1C, L2C, L2E, L5; GLONASS: L1C/A, L1PChronic, L2C/A, L2P, L3; BDS: B1, B2, B3; Galileo: GIOVE-A, GIOVE-B, E1, E5A, E5B; SBAS: L1C7A, L5; częstotliwość pozycjonowania 20 Hz; min. liczba torów odbiorczych 400; dokładność pozycji (min.): pomiary statyczne GNSS: poziomo 3 mm + 0,1 ppm (RMS), pionowo 4 mm + 0,5 ppm (RMS). Aktywne sieci geodezyjne GNSS: poziomo 8 mm + 0,5 ppm (RMS), pionowo 15 mm + 0,5 ppm (RMS); tyczka z włókien węglowych; 75

76 kontroler sterujący pracą odbiornika; wbudowany: modem, kompas i akcelerometr; pamięć wewnętrzna 6 GB; komunikacja GPRS z aktywnymi sieciami GNSS; obsługiwane formaty: RTCM 2.1, RTCM 2.3, RTCM 3.0, RTCM 3.1 (wejście) oraz NMEA (wyjście); możliwość realizacji pomiarów GNSS nawet w czasie utraty łączności z aktywną siecią GNSS. Na Rys. 4.8 zaprezentowano kilka wybranych typów odbiorników GNSS, współpracujących z geodezyjnymi sieciami GNSS, które spełniałyby powyżej ustalone wymagania jakościowe. Trimble R10 Leica Viva GS15 TOPCON HiPer SR GSM Rys Wybrane odbiorniki GNSS zdolne do zamontowania na bezzałogowej jednostce hydrograficznej Minimalne wyposażenie drona hydrograficznego powinno również obejmować miniaturową echosondę pionową, która winna być zintegrowana z odbiornikiem GNSS, zdolną do łatwego montażu i demontażu na tyczce odbiornika GNSS umieszczonej w dronie hydrograficznym lub innych jednostkach pływających. Podstawowe jej charakterystyki obejmują: max. wymiary części sterującej: 30 x 20 x 10 cm; max. wymiary przetwornika: 20 x 10 x 10 cm; bezprzewodowy transfer danych pomiarowych; częstotliwość pracy: MHz; min. częstotliwość emisji 5 Hz; max. szerokość wiązki 10 ; min. zakres pracy: 0,5-50 m; 76

77 dokładność pomiaru głębokości: 2 cm ± 0,5% głębokości; wyjście danych NMEA; komunikacja: transmisja szeregowa ASCII oraz Bluetooth; zasilanie bateryjne. Przykład rozwiązania takiej echosondy zaprezentowano na Rys Należy w tym miejscu zauważyć, że od 2-3 lat w sprzedaży pojawiły się również echosondy wielowiązkowe, które znacznie przyspieszają proces realizacji pomiarów batymetrycznych. Miniaturowa echosonda pionowa Echosonda wielowiązkowa z dwoma odbiornikami GNSS Rys Aparatura do pomiaru głębokości z wykorzystaniem bezzałogowej jednostki hydrograficznej Kompletne, minimalne wyposażenie bezzałogowej jednostki hydrograficznej zaprezentowano na Rys Odbiornik GNSS Miniaturowa echosonda z tyczką Kompletna jednostka wraz z wyposażeniem Rys Minimalne wyposażenie bezzałogowej jednostki hydrograficznej z przeznaczeniem dla realizacji pomiarów linii podstawowej morza terytorialnego 77

78 4.4. Oprogramowanie geodezyjne i hydrograficzne Oprogramowanie obejmuje dwa pakiety przeznaczonych do opracowania wyników pomiarów geodezyjnych i hydrograficznych: geodezyjne pakiet oprogramowania umożliwiający opracowanie wyników pomiarów geodezyjnych z wykorzystaniem systemów GNSS (czas rzeczywisty i postprocessing). Wskazana jest pełna funkcjonalność w środowiskach: CAD i GIS. Dodatkowo winna mieć możliwość tworzenia: powierzchni, modeli terenu, przekrojów, profili, wyrównanie sieci GPS i TS (łącznie) oraz DTM; hydrograficzne pakiet oprogramowania realizującego opracowanie wyników pomiarów hydrograficznych. Umożliwia analizę wyników pomiarów, tworzenie: cyfrowego modelu terenu (podwodnego), planszetów pomiarowych oraz map w układach współrzędnych zgodnych z wymaganiami IHO. Oprogramowanie geodezyjne TBC Oprogramowanie hydrograficzne HYPACK Rys Przykładowe oprogramowanie przeznaczone do opracowania wyników pomiarów geodezyjnych i hydrograficznych Dodatkową opcją jest oprogramowanie służące do planowania pomiarów dla bezzałogowej jednostki hydrograficznej. Umożliwia ono zaplanowanie profili sondażowych w oparciu o podany akwen pomiarowy najczęściej na podstawie ortofotomapy pochodzącej z Google Maps (Rys. 4.12). Tego typu oprogramowanie jest wykorzystywane jedynie przez bardzo zaawansowane konstrukcje bezzałogowych jednostek hydrograficznych. 78

79 Rys Oprogramowanie planujące kampanię pomiarową jednostki hydrograficznej 4.5. Metodyka realizacji pomiaru W Polsce właściwe instytucje państwowe (oddziały IMGW) gromadzą informacje ze stacji wodowskazowych takie jak: rzędne zera wodowskazów, ekstremalne poziomy wody itd. Umożliwiają one określenie najniższego stanu wody wzdłuż wybrzeża (jaki kiedykolwiek odnotowano), który jest niezbędny do wyznaczenia przebiegu linii podstawowej. Dla celów niniejszej pracy uzyskano takie informacje z oddziału morskiego IMGW w Gdyni. Objęły one dane dla 12 stacji wodowskazowych (Rys. 4.13). Rys Absolutnie minimalne poziomy wody jakie kiedykolwiek zarejestrowano na polskich stacjach wodowskazowych w latach: (opracowanie własne) Rzędna zera każdego wodowskazu jest odniesiona do poziomu morza w Kronsztadzie w Rosji, który wynosi 508 cm z wyjątkiem Darłowa (507,3 cm). Znając dodatkowo najniższy i aktualny stan wody np. z serwisu pogodowego IMGW-PIB (monitor.pogodynka.pl) można określić do jakiej głębokości należy wykonywać pomiaru linii podstawowej (jest to różnica pomiędzy aktualnym i najniższym stanem 79

80 wody). Na Rys przedstawiono różnicę pomiędzy poziomem Kronsztad a najniższym zaobserwowanym stanem wody w Polsce, zarejestrowanym na 12 wodowskazach. Rys Różnica pomiędzy poziomem Kronsztad a najniższym zaobserwowanym stanem wody w Polsce, zarejestrowanym na 12 wodowskazach (opracowanie własne) Państwa nadbałtyckie nie stosują wspólnego, geodezyjnego systemu odniesienia dla obserwacji poziomów morza. W celu harmonizacji poziomów odniesienia dla map Morza Bałtyckiego powołano grupę roboczą Chart Datum WG. Podstawowym zadaniem tej grupy jest zbadanie możliwości wykorzystania Europejskiego Wysokościowego Systemu Odniesienia (ang.: European Vertical Reference System EVRS), jako głównej alternatywy dla pionowych układów odniesienia na mapach morskich Bałtyku. Większość krajów nadbałtyckich do określenia poziomu morza wykorzystuje układy wysokościowe Kronsztad i Amsterdam (system kronsztadzki jest wyższy o 8 cm). W Polsce obowiązuje system wysokości oparty o Kronsztad (ang.: Baltic High System BHS), jednak rejestracja poziomów morza ma dowiązanie do systemu amsterdamskiego (nid.: Normaal Amsterdams Peil NAP) [Wolski i inni, 2014]. W ramach projektu badawczego Ekstremalne poziomy wód na wybrzeżach Morza Bałtyckiego wyznaczono między innymi ekstremalne poziomy wód Morza Bałtyckiego (Rys. 4.15). Wykorzystano w tym celu dane obserwacyjne z 50 stacji wodowskazowych za okres: i przeliczono je do jednolitego poziomu odniesienia (NAP) [PHMSB, ]. Należy zauważyć, że wartości najniższych stanów wód (zaprezentowane na Rys i 4.15) są do siebie zbliżone. 80

81 Rys Geograficzny rozkład najniższych poziomów Morza Bałtyckiego za okres: według [Wolski i inni, 2014] Biorąc pod uwagę wyszczególnione we wcześniejszych rozdziałach ograniczenia nie ulega wątpliwości, iż zasadnym jest potrzeba opracowania nowej metodyki pomiarów hydrograficznych linii podstawowej wykorzystującej drony pływające. Powinna ona uwzględniać przede wszystkim charakter wybrzeża. Pomiary linii podstawowej morza terytorialnego są realizowane na trzech rodzajach typowych akwenów. W Tab. 4.3 zostały one przedstawione wraz z opisem cech morfologicznych. 81

82 Tab Reprezentatywne akweny wybrane dla realizacji pomiarów batymetrycznych (opracowanie własne) Nazwa akwenu Cechy Zdjęcie Akwen nr 1: Otwarte morze plaża miejska w Gdyni Typowo przebiegająca linia brzegowa (prostoliniowy odcinek piaszczysty), która jest umocniona gwiazdoblokami i betonowymi nabrzeżami. Akwen nr 2: Ujście rzeki ujście Wisły w pobliżu Narodowego Centrum Żeglarstwa w Gdańsku Akwen nr 3: Wyjście z dużego portu obszar w pobliżu prawej główki wejściowej do Nowego Portu w Gdańsku Akwen o dużej dynamice zmian hydromorfologicznych. Jest to obszar naturalny (pozbawiony budowli hydrotechnicznych). Akwen o dużym nasyceniu budowli hydrotechnicznych. Metodyka realizacji pomiarów batymetrycznych oparta powinna być na normach IHO w zakresie realizacji pomiarów hydrograficznych. W ramach planowania pomiarów wyznaczone zostaną hydrograficzne profile pomiarowe wraz z profilami kontrolnymi (poprzeczne). W zależności od ukształtowania przebiegu linii brzegowej akwen sondażowy zostanie podzielony na sekcje. Na Rys zaprezentowano przykładowy plan realizacji sondaży dla akwenu nr 1. sekcja A2 sekcja A3 A K W E N nr m. sekcja A4 sekcja A5 sekcja A6 sekcja A7 sekcja A1 Rys Układ profili sondażowych oraz kontrolnych przy wyznaczaniu linii podstawowej morza terytorialnego RP dla akwenu nr 1 (opracowanie własne) 82

83 Dla realizacji tego typu pomiarów może być wykorzystana aparatura będącą w posiadaniu Akademii Morskiej Gdyni (AMG) (Rys. 4.10) jednakże charakteryzuje się ona następującymi wadami eksploatacyjnymi: system sterowania (zmiany kursu) oparty jest o telemanipulator (zdalny), który wymaga ciągłego prowadzenia jednostki w trybie ręcznym i wzrokowego utrzymywania jednostki na profilu, jak również zmiany profilu hydrograficznego w trybie sterowania bezpośredniego; brak systemu prowadzenia jednostki po profilu sondażowym, umożliwiającego precyzyjne sterowanie jednostką; sterowanie ręczne jednostką skutkuje brakiem możliwości wykonania równomiernego pokrycia pomiarami całego akwenu wodnego; brak systemu transmisji danych pomiarowych do operatora oraz ich zobrazowania w czasie rzeczywistym. W związku z tym, zaproponowano koncepcję modernizacji jednostki bezzałogowej będącej w posiadaniu AMG. Jej celem jest stworzenie w pełni zautomatyzowanego systemu nawigacji bezzałogowej jednostki hydrograficznej, wykorzystującej geodezyjne sieci satelitarne GNSS dla pomiarów batymetrycznych akwenów ultrapłytkich (Rys. 4.17). Systemowi wyznaczono następujące dodatkowe (których nie posiadała dotychczas jednostka należąca do AMG) funkcjonalności: planowanie pomiarów batymetrycznych z wykorzystaniem Google Maps, obejmujące zarówno wybór akwenu, jak i zaplanowanie profili sondażowych; automatyczne sterowanie bezzałogową jednostką hydrograficzną obejmujące utrzymanie jej na profilu sondażowym wraz z jego zmianą na kolejny; automatyczny powrót do miejsca rozpoczęcia pomiarów hydrograficznych; zobrazowanie parametrów nawigacyjnych jednostki na dodatkowym komputerze operatora w czasie rzeczywistym, oparte o dedykowane połączenie radiowe; oczekiwana dokładność wyznaczenia położenia jednostki, z wykorzystaniem wielosystemowej sieci GNSS, szacowana jest na 1-2 cm (2DRMS) poziomo oraz 2-3 cm (2DRMS) wysokościowo. 83

84 Istotę proponowanej modernizacji zaprezentowano na Rys Rys Schemat ideowy koncepcji systemu automatycznej nawigacji bezzałogowej jednostki hydrograficznej (opracowanie własne) 4.6. Wyznaczanie przebiegu linii podstawowej metodą geodezyjnych pomiarów GNSS Metoda, aparatura i akwen Pomiary wyznaczania przebiegu linii podstawowej morza terytorialnego zrealizowano na akwenie Zatoki Gdańskiej. Obszar testowy obejmował akwen przyległy do plaży miejskiej w Gdyni w pobliżu basenu jachtowego. Do pomiaru wykorzystano odbiornik GNSS Trimble R10, na którego tyczkę zamontowano wykonaną samodzielnie nakładkę, uniemożliwiającą zapadanie się jej w piasek. 84

85 Rys Zestaw pomiarowy Trimble R10 wykorzystany podczas pomiarów (po lewej) oraz skonstruowana nakładka na ostrze tyczki (po prawej) Pomiary przeprowadzono w technologii precyzyjnego pozycjonowania przy pomocy GNSS. Wykorzystano komercyjny serwis czasu rzeczywistego RTK firmy VRSNet.pl o tej samej nazwie. Internetowe połączenie ze stacją referencyjną w Gdańsku ustanowiono za pomocą sieci telefonii komórkowej GPRS. Badania zrealizowano r. w godzinach: 08:30-18:00. Wykonano 280 pomiarów punktów na 40 profilach. Wykorzystanie metody czasu rzeczywistego związane było z modyfikacją metody opracowanej w 2000 r. [Specht, Czaplewski, 1999], gdzie pomiary realizowano w postprocessingu. Skutkiem nowego rozwiązania była możliwość precyzyjnego tyczenia profili pomiarowych, co umożliwiało równomierne (pozbawione obszarów bez pomiarów) pozyskanie danych. Dla tyczenia punktów pomiarowych wykorzystano profile, które zaplanowano w kontrolerze odbiornika. 85

86 Rys Autor pracy podczas realizacji pomiarów linii podstawowej. Rysunek z lewej strony przedstawia tyczenie punktu profilu pomiarowego. Na rysunku z prawej strony przedstawiono tyczenie ostatniego punktu profilu (punkt przebiegu linii podstawowej) Termin pomiarów oraz warunki hydrometeorologiczne odgrywały istotną rolę, stąd pomiary zrealizowano podczas stanu morza 0, przy bezwietrznej pogodzie. Przed pomiarami ustalono aktualny poziom morza przy wykorzystaniu serwisu internetowego umożliwiającego cogodzinną aktualizację danych. Na Rys zaprezentowano zmiany poziomu morza w dniu realizacji pomiarów. Dla poziomu morza wynoszącego 494 cm, linia podstawowa znajdowała się w dniu pomiarów na poziomie 79 cm poniżej chwilowego poziomu powierzchni morza. Rys Wykres zmienności poziomu morza obserwowany na mareografie w Gdyni w dniu pomiarów według serwisu pogodowego IMGW-PIB 86