Współczesne Systemy Elektroniki Morskiej

Transkrypt

1 SPIS TREŚCI Gdańsk, czerwiec 2014 Współczesne Systemy Elektroniki Morskiej materiały do wykładu Dawid Jereczek Adam Kurowski Piotr Kryger Spis treści 1 Nawigacja Logi Nawigacja morska Pojęcia w nawigacji klasycznej Kompasy System GPS Echolokacja i hydroakustyka Zasady działania systemów echolokacyjnych Równanie zasięgu Zasada działania echosondy parametrycznej Hydroakustyczne systemy nawigacyjne Propagacja fal akustycznych w wodzie Współczesne narzędzia elektroniki morskiej Hydrotelefonia ARPA AUV GMDSS Żargon. Skróty i akronimy 15 1/17

2 Gdańsk, czerwiec Nawigacja 1.1 Logi Log jest urządzeniem do pomiaru prędkości poruszania się jednostki pływającej. Znajomość szybkości statku, oraz jego kursu, pozwala na ustalenie pozycji statku w nawigacji zliczeniowej. Możliwe jest wprowadzenie podziału logów za względu na zasadę działania: mechaniczne - prędkość wyznaczana jest na podstawie szybkości obrotów śruby lub wiatraczka zanurzonego w wodzie ciśnieniowe - pomiar za pomocą dwóch rurek, rurka prostopadła do kierunku ruchu mierzy ciśnienie statyczne, rurka równoległa do kierunku ruchu mierzy sumę ciśnienia statycznego i dynamicznego (tzw. rurka Pitota). Przy znajomości zmierzonego w ten sposób ciśnienia dynamicznego możliwe jest obliczenie prędkości statku. indukcyjne - działające na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Posiadają one dwie elektrody pomiędzy którymi znajduje się woda morska. Gdy statek jest w ruchu, woda ta także jest w ruchu względem elektrod. Nad elektrodami umieszczony jest magnes. Z tego powodu na elektrodach indukuje się napięcie, którego wartość jest liniowo proporcjonalna do prędkości statku. dopplerowskie - wysyłają sygnały akustyczne pod kątem w kierunku dna. Sygnały te wracają do statku po odbiciu od dna, natomiast ich częstotliwość jest zmieniona o wartość odchyłki Dopplera. Na tej podstawie możliwe jest wyznaczenie prędkości statku. 1.2 Nawigacja morska Ze względu na sposób wyznaczania pozycji statku, nawigację można podzielić na: zliczeniową - pozwalającą na przybliżone określenie pozycji statku na podstawie znajomości jego ostatniej zmierzonej pozycji (pozycji obserwowanej) oraz jego kierunku (kursu) i szybkości. astronomiczną (astronawigację) - w której określanie położenia statku oparte jest o obserwację położenia ciał niebieskich terrestryczną - prowadzoną przy zachowaniu widoczności lądu, polegającą na ustalaniu położenia statku przy wykorzystaniu lądowych znaków nawigacyjnych, charakterystycznych elementów topograficznych terenu lub innych charakterystycznych, widocznych z morza obiektów o znanej pozycji inercyjną - rodzaj nawigacji zliczeniowej, w której wektor prędkości wyznaczany jest na podstawie pomiaru przyspieszenia, stosowana głównie w okrętach podwodnych, metoda precyzyjna satelitarną - np. wykorzystującą odbiornik GPS, metoda najdokładniejsza z wymienionych 1.3 Pojęcia w nawigacji klasycznej Historycznie, nawigację zliczeniową uznaje się za klasyczną metodę nawigacji morskiej. W skrócie - wykorzystywana jest w niej znajomość szybkości poruszania się statku (zmierzona przy pomocy logu), kursu statku (wyznaczonego przy użyciu kompasu) i ostatniego znanego położenia. Łatwo zauważyć, że błędy w tej metodzie nawigacji kumulują się wraz z czasem, a obszar nieokreśloności położenia wzrasta wraz z błędem pomiaru prędkości statku i błędem określenia kierunku, w którym porusza się statek. Kurs jest to kierunek w którym zwrócona jest dziobowa część osi symetrii statku względem przyjętego południka odniesienia. [6] Kursy liczone są systemem okrężnym (tj. w zakresie stopni od północy zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara). 2/17

3 1.3 Pojęcia w nawigacji klasycznej Gdańsk, czerwiec 2014 Podstawowym przyrządem nawigacyjnym służącym do wyznaczenia i utrzymywania kursu jest kompas magnetyczny. Kompas magnetyczny wyznacza kierunek południka magnetycznego z uwzględnieniem dewiacji (błędu o innej wartości dla każdego kursu, spowodowanego zakłóceniem ziemskiego pola magnetycznego przez inne obiekty indukujące własne pole magnetyczne, np. stalowy kadłub statku, znajdujące się w pobliżu kompasu magnetycznego). Warto zauważyć, że bieguny geograficzne Ziemi (względem których orientowane są mapy) nie pokrywają się z biegunami magnetycznymi Ziemi. Odchylenie kierunku północy magnetycznej od kierunku północy geograficznej (stałe dla danego punktu) nazywa się deklinacją. Stąd, można mówić o północy rzeczywistej (N), północy magnetycznej (Nm) i północy kompasowej (Nk) - w zależności od którego kierunku liczony będzie kąt do linii symetrii (diametralnej) jednostki pływającej. Czasem, wyróżnia się też kierunek północy żyrokompasowej (Nż)[6]. Można więc wyróżnić trzy kursy: kurs rzeczywisty - kąt między kierunkiem północy rzeczywistej a osią symetrii statku kurs magnetyczny - kąt między kierunkiem północy magnetycznej a osią symetrii statku kurs kompasowy - kąt między kierunkiem północy wskazywanej przez kompas a osią symetrii statku Kurs rzeczywisty nie jest równoznaczny z kierunkiem, w którym porusza się statek, ponieważ na płynący statek oddziaływują również siły związane ze zjawiskami zewnętrznymi, które mogą powodować schodzenie statku z kursu. Ruch poprzeczny związany z działaniem wiatru nazywamy dryfem, natomiast ruch poprzeczny związany z działaniem prądów morskich nazywamy znosem. Utrzymanie kursu statku wymaga uwzględniania poprawek m.in. na wiatr i na prąd. Namiar to kąt pomiędzy kierunkiem odniesienia a kierunkiem wyznaczanym przez linię od obserwatora do namierzanego obiektu[6]. Kierunkiem odniesienia może być północ wskazywana przez kompas lub oś symetrii statku (wtedy jest to kąt kursowy). Tak jak w przypadku kursów, można wyróżnić trzy namiary o identycznych zależnościach: namiar rzeczywisty - kąt między kierunkiem północy rzeczywistej a kierunkiem od obserwatora do namierzanego obiektu namiar magnetyczny - kąt między kierunkiem północy magnetycznej a kierunkiem od obserwatora do namierzanego obiektu namiar kompasowy - kąt między kierunkiem północy wskazywanej przez kompas a kierunkiem od obserwatora do namierzanego obiektu Kąt kursowy to kąt zawarty pomiędzy dziobową częścią osi symetrii statku a linią łączącą obserwatora z obserwowanym obiektem. Kąty kursowe są liczone w systemie połówkowym[6]. Warto pamiętać, że istnieją cztery systemy liczenia kierunków: system pełny (okrężny) - od N, zgodnie z ruchem wskazówek zegara w zakresie stopni, np. 220 system połówkowy (półpełny) stopni na prawo (w kierunku wschodu) od N, lub 180 stopni na lewo (w kierunku zachodu) od N, np. 140 NW system ćwiartkowy - od N lub S w kierunku E lub W, od 0 do 90 stopni, np. S40 W system rumbowy - stosowany dawniej, w którym tarcza kompasu jest podzielona na 32 rumby, gdzie każdy rumb jest równy 1/32 kąta pełnego i ma swoją nazwę, np. SW (ang. Southwest) W nawigacji morskiej powszechnie stosowane są jednostki miar niebędące częścią układu SI. 3/17

4 1.4 Kompasy Gdańsk, czerwiec 2014 Podstawową jednostką długości używaną w nawigacji jest mila morska (Mm, ang. nautical mile - NM ). Jedna mila morska jest równa długości jednej minuty na kole wielkim Ziemi. (Zakłada się pewne uproszczenie że Ziemia jest kulą geometryczną o średnim promieniu R = 6371,1 km. Każde koło o promieniu R, przechodzące przez środek Ziemi nazywa się kołem wielkim. Tzn. w takim modelu równik i wszystkie południki są kołami wielkimi Ziemi) 1[Mm] = 2 Π 6371, m Jednostką prędkości używaną w nawigacji morskiej jest węzeł (kn, ang. knot). Jeden węzeł równy jest jednej mili morskiej na godzinę. 1[kn] = 1[Mm] 1[h] 1, 852[km/h] 0, 5[m/s] 1.4 Kompasy Kompas jest podstawowym przyrządem w nawigacji służącym do wyznaczania bieżącego kierunku południka magnetycznego, a dzięki temu - umożliwiającym określanie kierunków na morzu. Wśród kompasów wyróżnia się m.in.: magnetyczne - historycznie pierwsze, wskazują kierunek południka magnetycznego żyrokompasy - dobre i drogie; wskazania żyrokompasu są niezależne od własnego pola magnetycznego statku i deklinacji magnetycznej (żyrokompas pokazuje więc biegun geograficzny, a nie magnetyczny), natomiast błędy pomiaru powodowane ruchem statku są automatycznie korygowane dzięki właściwościom żyroskopu satelitarne - wykorzystujące dwa odbiorniki GPS oddalone od siebie o znaną długość 0,5 m - 1 m i określające kierunek południka geograficznego na podstawie różnicy we wskazaniach; działają dobrze w przestrzeni otwartej objętej zasięgiem działania wybranego systemu nawigacji satelitarnej. 1.5 System GPS Satelitarne systemy nawigacyjne powstały, aby można było w szybki i precyzyjny sposób wyznaczyć pozycję odbiornika danego systemu na powierzchni Ziemi. Systemy te zwyczajowo dzielą się na trzy segmenty [5]: kosmiczny kontrolny (naziemny) użytkownika Jednym z czołowych przedstawicieli takich systemów jest amerykański nawigacyjny system satelitarny - GPS (ang. Global Positioning System). Jego działanie opiera się o pomiar odległości dzielącej obserwatora od znajdującego się na ściśle wyznaczonej orbicie satelity, którego pozycja jest w danym momencie znana [9]. System GPS jest systemem biernym (pasywnym), gdyż sygnał nadawany jest przez satelity, a użytkownicy posługują się jedynie odbiornikami. System jest zarządzany przez Ministerstwo Obrony USA (United States Department of Defense) [5]. Jego segment kosmiczny składa się nominalnie z 24 satelitów oraz satelitów zapasowych. Satelity operacyjne (o zakładanej żywotności ok. 7.5 roku) rozmieszczone są na 6 orbitach (wysokość orbity: ok km), tak, że prawdopodobieństwo dostępności co najmniej 5 z nich w dowolnym punkcie na płaszczyźnie Ziemi wynosi Dokładność określania pozycji horyzontalnej przy pomocy systemu GPS w 95% przypadków wynosi ok m. Każdy satelita emituje bardzo stabilne częstotliwości 4/17

5 1.5 System GPS Gdańsk, czerwiec 2014 pomiarowe, sygnały czasu własnego zegara oraz odpowiednio zakodowane efemerydy pokładowe pozwalające wyznaczyć współrzędne satelity w wybranym momencie. Wszystkie satelity obecnie (marzec 2010) emitują nieprzerwanie sygnały na dwóch częstotliwościach nośnych L1 = 1575,42 MHz oraz L2 = 1227,60 MHz. Obie częstotliwości nośne są modulowane w fazie za pomocą kodu pseudolosowego [4, 5, 9]. Istnieją 3 kody binarne nanoszone na dwie nośne [9]: kod C/A (Coarse Acquisition) - moduluje fazę L1. Kod ten jest dla każdego satelity inny - daje możliwość identyfikacji satelity; jest to sygnał pseudolosowy. Kod C/A jest sygnałem binarnym, nadawanym z prędkością transmisji Mb/s. kod ( P (nadawany w warunkach normalnych), Y (zapasowy, nadawany w sytuacjach szczególnych) (Precise)) - moduluje zarówno podnośną L1 jak i L2. Dostęp do kodu P pozwala na osiąganie dokładności przeznaczonych do zastosowań militarnych. Kod P jest pozornie podobny do kodu C/A, ale ma bardziej złożoną strukturę. Jego prędkość transmisji wynosi MHz. Jest on właściwie sekwencją trwającą 267 dni. Każdy z satelitów ma przypisany siedmiodniowy segment tej sekwencji. depesza nawigacyjna - moduluje L1. Na sygnały P i C/A nałożona jest depesza nawigacyjna, uaktualniana co cztery godziny ze stacji naziemnych. Dodatkowo transmitowane są dane o stanie satelitów, aktualne współczynniki do obliczenia opóźnienia jonosferycznego i dane do obliczenia czasu UTC (GPS Satellite Universal Coordinated Time). Przez segment naziemny systemu satelitarnego należy rozumieć zlokalizowane na powierzchni Ziemi i uczestniczące w funkcjonowaniu systemu stacje śledzące, kontrolne, centrum obliczeniowe oraz stacje przesyłające informacje do satelitów. Segment ten składa się z następujących stacji [4, 5]: sieci stacji śledzących (Monitor Station - MS) stacji głównej (Master Control Station - MCS) sieci stacji korygujących (Ground Antennas) Nadzór nad całością działania systemu sprawuje stacja główna, której podlegają wszystkie stacje śledzące i korygujące. Segment naziemny jest odpowiedzialny za monitorowanie i utrzymanie poprawnego działania całego systemu, a w szczególności za [5]: bieżącą kontrolę i utrzymanie statusu oraz konfigurację segmentu kosmicznego wspomaganie segmentu użytkownika w precyzyjnym określaniu efemeryd i korekt zegarów atomowych satelitów przez przygotowanie i uaktualnianie danych dla depesz nawigacyjnych przesyłanych do poszczególnych satelitów celem ich późniejszej retransmisji bieżącą kontrolę korekt zegarów, efemeryd orbit satelitów i opóźnienia jonosferycznego. utrzymanie różnego rodzaju systemów wspomagających Segment kontroli tworzony jest przez system czterech stacji monitorujących i główne centrum kontroli w Colorado Springs. Stacje odbierają sygnały kontrolne i telemetryczne satelitów - w razie potrzeby dokonując zdalnej korekty. Zadaniem stacji monitorujących jest śledzenie trajektorii satelitów. W razie wystąpienia odchyleń od modelu orbitalnego ruchu, zostają wyliczone precyzyjne dane korekcyjne (efemerydy) i korekty zegara. Poprawki takie są wyliczane dla każdego z satelitów. Dane te są wysyłane z głównego centrum poprzez stacje nadawcze do poszczególnych satelitów. Poprawki te są następnie przesyłane wraz z sygnałem satelity do użytkowników systemu w postaci depeszy nawigacyjnej. Raz do roku każdy z satelitów zostaje poddany procesowi repozycjonowania, trwa to około 12 godzin. W tym czasie satelita jest nieaktywny. Stacja monitorująca może śledzić jednocześnie do 11 satelitów [9]. 5/17

6 1.5 System GPS Gdańsk, czerwiec 2014 Stacje segmentu naziemnego zapewniają więc nieprzerwaną obserwację wszystkich satelitów systemu, wykorzystywaną następnie do precyzyjnych obliczeń parametrów orbity (efemeryd) wszystkich satelitów oraz poprawek wskazań ich wzorców pokładowych. Dzięki temu pozycja każdego satelity w przestrzeni jest na bieżąco aktualizowana, czas jego zegara jest synchronizowany z czasem systemu [9]. Rysunek 1: System GPS - obieg danych nawigacyjnych pomiędzy satelitą a poszczególnymi stacjami segmentu naziemnego Znając odległość od satelity lokujemy odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Znając odległość od dwóch satelitów lokujemy odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwóch sfer. Kiedy odbiornik zmierzy odległość od trzech satelitów, istnieją tylko dwa punkty, w których może się on znajdować. Jeden z tych punktów można wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko. W ten sposób wyznaczamy swoją pozycję. Wyznaczenie odległości od co najmniej 4 satelitów pozwala na określenie pozycji w trzech wymiarach (X, Y, Z). [8, 9]. Rysunek 2: System GPS - wyznaczanie położenia R 1 = (X X 1 ) 2 + (Y Y 1 ) 2 + (Z Z 2 ) 2 + t c t - rozbieżność między wskazaniami czasu satelity i odbiornika Na wielkość błędu określania pozycji w GPS wpływ mają [8]: opóźnienia sygnałów w jonosferze propagacja wielodrogowa i zaniki szumy i ograniczena rozdzielczość odbiornika błędy położenia satelitów błędy zegarów w satelitach refrakcja 6/17

7 1.5 System GPS Gdańsk, czerwiec 2014 błąd rozmycia pozycji (gdy satelity będą zbyt blisko siebie) Aby wyeliminować zakłócenia spowodowane opóźnieniem propagacyjnym związanym z troposferą i jonosferą oraz błędami zegarów, stworzono system DGPS (różnicowy GPS) w którym stosuje się dodatkowo stacje referencyjne [8]. Na początku 2014 roku stacji operacyjnych było 288, zlokalizowanych w 39 państwach świata. Dwie z nich znajdują się w Polsce - w Rozewiu i Dziwnowie. Stacje DGPS są wykrzystywane przede wszystkim w nawigacji morskiej, nie tylko ze względu na zwiększoną w stosunku do systemu GPS dokładność, ale głównie ze względu na możliwość zapewnienia użytkownikowi informacji o wiarygodności użytych satelitów systemu [5]. 7/17

8 Gdańsk, czerwiec Echolokacja i hydroakustyka 2.1 Zasady działania systemów echolokacyjnych System echolokacyjny jest systemem (telekomunikacyjnym) służącym do pozyskiwania informacji o środowisku i znajdujących się w nim oddalonych obiektach przy użyciu sygnałów echa. Rodzaje systemów echolokacyjnych [11]: impulsowe - w celu wyznaczenia położenia celu mierzy się czas t od momentu wysłania impulsu do momentu odbioru sygnału echa i oblicza się odległość obiektu ze wzoru R = c t 2. Zjawisko kierunkowości anteny służy do określenia namiaru. system CW FM z falą ciągłą - nadajnik emituje sygnał z liniową modulacją częstotliwości. Opóźniony sygnał echa jest porównywany z aktualnym sygnałem emitowanym. Wyznaczana jest różnica częstotliwości obu sygnałów, która jest proporcjonalna do odległości obiektu obserwowanego obiektu. system dopplerowski na fali ciągłej - nadajnik emituje ciągły sygnał o stałej częstotliwości f n. Ze względu na efekt Dopplera odbierany sygnał echa ma inną częstotliwość f 0, zależną do prędkości obiektu v. Wynosi ona: f 0 = f n (1±2 v c ) gdzie c prędkość propagacji fali Wyznacza się różnicę f n f o, a stąd prędkość v. system pasywny - w systemach pasywnych nie ma nadajnika. Źródłem sygnału odbieranego są obiekty emitujące fale akustyczne (b.rzadko elektromagnetyczne). Wykorzystując kierunkowość anten system pasywny wyznacza tylko namiar. W systemie echolokacyjnym nośnikiem informacji jest sygnał echa. 2.2 Równanie zasięgu Równaniem zasięgu nazywamy następującą zależność [11]: EL = SL 2T L + T S, gdzie: EL - poziom echa, który równy jest wyrażonemu w decybelach natężeniu użytecznej fali płaskiej padającej prostopadle na powierzchnię przetwornika odbiorczego, SL - poziom źródła, równy wyrażonej w decybelach, znormalizowanej wartości natężenia fali akustycznej w odległości jednego metra od powierzchni promieniującej przetwornika na jego osi akustycznej, TL - jednostronne straty transmisyjne, równe wyrażonemu w decybelach stosunkowi natężenia fali promieniowanej przez przetwornik nadawczy, występującego na jego osi akustycznej w odległości jednego metra od powierzchni przetwornika, do natężenia fali płaskiej, padającej prostopadle na powierzchnię celu, TS - siła celu, równa wyrażonemu w decybelach ilorazowi natężenia fali odbitej od celu w kierunku odbiornika w odległości 1 m od jego środka i natężenia płaskiej fali akustycznej padającej na cel z kierunku nadajnika. W rzeczywistości dla radarów morskich faktycznym istotnym warunkiem ograniczającym zasięg jest wysokość zawieszenia jego anteny oraz wysokość obiektu, który jest za jego pomocą lokalizowany. Ograniczenie zasięgu wynika wprost z krzywizny Ziemi i przedstawione jest za pomocą następującego równania: 8/17

9 2.3 Zasada działania echosondy parametrycznej Gdańsk, czerwiec 2014 Rysunek 3: Radar morski zasięg [Mm] = 2, 22 ( wysokość anteny [m]+ wysokość obiektu [m]) 2.3 Zasada działania echosondy parametrycznej Echosonda jest urządzeniem służącym do pomiaru głębokości wody oraz odległości od unoszących się w niej ciał stałych. Odległość jest mierzona na podstawie pomiaru czasu powrotu sygnału echa odbitego od dna, łodzi podwodnej, ławicy ryb itd.. Do wypromieniowania fali służy odpowiedni przetwornik elektroakustyczny. Za jego pomocą jest także realizowany odbiór impulsu echa. Echosonda parametryczna jest specjalnym rodzajem echosondy, w której wykorzystane są nieliniowe właściwości ośrodka, w którym propaguje się fala akustyczna. Z przetwornika nadawane są dwie fale o wysokiej i podobnej częstotliwości, na przykład 200 khz oraz 210 khz. W wodzie na skutek mieszania się tych częstotliwości spowodowanego występowaniem zjawisk nieliniowych następuje generacja tonu różnicowego o częstotliwości np. 10 khz [10]. Uzyskana w ten sposób charakterystyka kierunkowa przetwornika jest wąska (dzięki promieniowaniu wysokich częstotliwości z przetwornika), jednocześnie właściwości impulsu są charakterystyczne dla częstotliwości niskich (ton różnicowy posiada niską częstotliwość), dzięki czemu za pomocą takiej echosondy można badać na przykład warstwy osadów dennych. Niestety tylko niewielka część energii składowych o częstotliwościach wysokich przenika do energii tonu różnicowego. 2.4 Hydroakustyczne systemy nawigacyjne Mają zastosowanie m.in. w sytuacjach, gdy trzeba zapewnić możliwość nawigacji w trakcie prac prowadzonych pod wodą. Jako punkt odniesienia mogą służyć tzw. hydrolatarnie, które są punktami charakterystycznymi służącymi do wskazywania pozycji. Może także być odwrotnie: to my próbujemy zlokalizować obiekt ruchomy, który nadaje sygnał. Urządzenia stosowane w tego typu nawigacji możemy podzielić na trzy klasy: pinger - boja hydroakustyczna, wysyła tzw. pingi, czyli paczki impulsu sinusoidalnego o określonej częstotliwości, czasie trwania i okresie powtarzania, responder - wysyła sygnały w odpowiedzi na pobudzenie przesłane do niego drogą przewodową (np. za pomocą kabla), transponder - wysyła impulsy, ale pobudzeniem, który je wyzwala jest sygnał akustyczny Systemy nawigacji hydroakustycznej można podzielić na trzy grupy [11]: systemy z długą bazą - elementy charakterystyczne służące do ustalania pozycji są oddalone na odległość wielokrotnie większą od długości fali, zwykle są to trzy lub więcej przekaźnikowe stacje liniowe umieszczone na zewnętrznych granicach obszaru działania systemu, a >> λ (a - odległość między elementami). Elementy są oddalone od siebie na odległość od 20 do 2000 metrów, 9/17

10 2.5 Propagacja fal akustycznych w wodzie Gdańsk, czerwiec 2014 systemy z krótką bazą - punktami odniesienia są anteny sonarowe umieszczone na jednostce pływającej. W tym wypadku pozycja obiektu pod wodą określana jest względem jednostki pływającej na podstawie pomiaru odległości do poszczególnych stacji przekaźnikowych. a > λ, elementy odległe od 0,5 do 20 metrów, systemy z ultrakrótką bazą - a < λ 2, elementy odległe o 0,01 do 0,5 metra. System ma postać pojedynczej stacji przekaźnikowej zanurzonej w wodzie (małe wymiary systemu). 2.5 Propagacja fal akustycznych w wodzie Falą akustyczną nazywamy zachodzące w czasie i w przestrzeni zmiany stanu równowagi ośrodka sprężystego. Cechy ośrodka warunkujące rozchodzenie się fal akustycznych to bezwładność i sprężystość. Fale akustyczne w wodzie rozchodzą się z prędkością około 1500[ m s ]. W warunkach rzeczywistych prędkość ta nie jest jednorodna w całym ośrodku, a zależy ona w głównej mierze od jego temperatury. Jest to niekorzystne zjawisko, które przyczynia się między innymi do ograniczenia maksymalnego zasięgu, jaki może być osiągnięty w danej chwili przez sonar. Niejednorodność prędkości propagacji dźwięku powoduje zakrzywienie toru propagacji fali akustycznej. Z tego powodu nie zawsze jest możliwe pełne wykorzystanie możliwości sonaru. Możliwe jest także występowanie takich obszarów, których nie będzie można obserwować za pomocą sonaru ze względu na fakt, że fale akustyczne zakrzywiają tor swojej propagacji w taki sposób, że miejsca te są całkowicie omijane [12]. Drugim czynnikiem wpływającym na prędkość rozchodzenia się fal akustycznych jest ciśnienie hydrostatyczne. W celu uwzględnienia tego zjawiska, zwanego zjawiskiem refrakcji, przeprowadza się pomiaru rozkładu prędkości propagacji dźwięku. Innym ważnym zjawiskiem zachodzącym w wodzie jest tłumienie absorpcyjne emitowanej fali akustycznej. Jest ono przyczyną ograniczenia zasięgów stosowanych urządzeń hydroakustycznych. Zależy ono od częstotliwości i jest tym silniejsze im jest ona wyższa. Dlatego wysokorozdzielcze sonary pracujące na wysokich częstotliwościach posiadają krótsze zasięgi niż sonary pracujące na częstotliwościach niższych. 3 Współczesne narzędzia elektroniki morskiej 3.1 Hydrotelefonia Jedną z metod komunikacji z osobami pracującymi pod wodą jest zastosowanie hydrotelefonu. Jakość i komfort prowadzenia rozmów przez urządzenia tego typu różnią się znacząco na niekorzyść od osiąganej np. w systemach telefonii komórkowej. Spowodowane jest to następującymi czynnikami: dźwięk rozchodzi się w wodzie dobrze, ale oznacza to także istnienie silnych odbić od granic ośrodka, skutkiem tego jest silny pogłos, który obniża jakość komunikacji (sprawia że istnieje konieczność mówienia bardzo powoli, tak aby druga strona mogła zrozumieć, co chcemy przekazać), szybkość propagacji dźwięku pod wodą jest znacząco mniejsza od szybkości propagacji fali elektromagnetycznej, z tego powodu w trakcie rozmów przez hydrotelefon można zaobserwować znaczące opóźnienia transmisji [12], Zjawiska te są także istotne w przypadku transmisji danych przez łącze akustyczne (na przykład w celu sterowania autonomicznymi pojazdami podwodnymi - AUV). Ograniczają one maksymalną możliwą do uzyskania przepływność systemu. Aby nurek mógł korzystać z hydrotelefonu konieczne jest zastosowanie specjalnych słuchawek oraz mikrofonu w masce lub laryngofonu. 3.2 ARPA ARPA (ang. Automatic Radar Plotting Aids) - jest to klasa urządzeń, które dokonują obróbki danych radarowych i prezentują jej wyniki w określonej formie, bez konieczności aktywnego śledzenia obiektów 10/17

11 3.2 ARPA Gdańsk, czerwiec 2014 przez obserwatora. Posiadanie urządzenia ARPA jest obowiązkowe dla wszystkich statków większych niż RT brutto zbudowanych po Funkcjonalności, które muszą udostępniać urządzenia ARPA: śledzenie - obserwacja kolejnych zmian pozycji obiektów w celu określenia parametrów ich ruchu, predykcja miejsc, w których śledzone obiekty znajdą sie w przyszłości, korelacja - określanie nowego aktualnego położenia na podstawie przewidywanych i aktualnie zmierzonych położeń celu, możliwość dowolnego wyboru śledzonego echa, detekcja - rozpoznanie obecności obiektu, akwizycja - wybór ech wymagających śledzenia dokonywany ręcznie lub automatycznie na przykład poprzez zdefiniowanie sektora, w którym obiekty będą automatycznie wprowadzane do akwizycji lub definiowanie kręgów bezpieczeństwa. System ARPA pozwala na definiowanie różnego rodzaju alarmów oraz na wydobywanie różnorodnych informacji o śledzonych obiektach takich jak namiar, odległość, czy prędkość poruszania się. Możliwe jest także symulowanie wpływu manewrów własnego statku na wszystkie śledzone obiekty bez przerywania śledzenia. Automatycznie sygnalizowane są także usterki takie jak np. brak sygnału z innych urządzeń takich jak log lub GPS [1]. W systemach ARPA mogą się pojawiać błędy, które można podzielić na trzy klasy: Błędy wytwarzane wewnątrz instalacji radarowej: migotanie echa błędy namiaru (kołysanie statku, położenie anteny), błędy pomiaru odległości (ok 1% zakresu), błędy żyrokompasu, błędy logu (mają wpływ na długości wektorów), Błędy wyświetlania danych: zmiana śledzonego obiektu (gdy obiekty śledzone znajdują się blisko siebie - w obrębie jednej bramki śledzącej - i jeden zasłoni drugi, gdy echo wejdzie w obszar zakłóceń od fal statku własnego), gubienie ech (np. gdy dwa echa znajdą się w tym samym namiarze), system musi posiadać odpowiednią formę wygładzania otrzymanej trasy (smoothing), wpływ wprowadzenia nieprawidłowej informacji o kursie i prędkości statku własnego na wektory rzeczywiście śledzonych obiektów, Błędy interpretacji wyświetlanej na ekranie informacji: błędy nawigatora - pomyłka w interpretacji wektorów, zła interpretacja historii ruchu obiektów itp. Ograniczenia systemów ARPA: nie ma pewności wykrycia wszystkich obiektów (zależy od panujących warunków atmosferycznych, rodzaju obiektu itd.), 11/17

12 3.3 AUV Gdańsk, czerwiec 2014 podczas manewrów statku własnego jak i obcego dokłądność wyliczanych danych ulega obniżeniu, a nawet zafałszowaniu, brak możliwości akwizycji obiektu znajdującego się zbyt blisko statku własnego (a jeżeli się to uda, to i tak nie ma już czasu czekać na obliczenia systemu ARPA (ok. 3 minut)), gubienie ech, zmiana śledzonego obiektu, manwer próbny niesie ze sobą również błędy wynikające z założenia, że obiekty nie będą manewrować w czasie wykonywania manewru przez statek własny. 3.3 AUV AUV (ang. autonomous underwater vehicle) - klasa bezzałogowych pojazdów podwodnych zdolnych bez ingerencji operatora do wykonywania powierzonych im zadań. Często mają wydłużony, torpedopodobny kształt. Możliwe jest ich transportowanie za pomocą samolotów. Istnieją wersje możliwe do przenoszenia przez dwie osoby. Potrafią operować na głębokościach rzędu 1500m i nadają się do różnorodnych zastosowań takich jak [2]: archeologia, poszukiwanie wraków okrętów, eksploracja dna morskiego, inspekcja instalacji podwodnych w celu wykrywania i lokalizacji uszkodzeń, unieszkodliwianie niewybuchów, badania oceanograficzne, monitorowanie stanu podwodnych ekosystemów, zapewnienie bezpieczeństwa w portach, rozpoznanie, wywiad i podsłuch przeciwnika, zwalczanie okrętów podwodnych. W urządzeniach tego typu zainstalowane są różnorodne instrumenty pomocnicze takie jak: sonar boczny, log dopplerowski, kamera optyczna, GPS, kompas, transponder akustyczny, echosonda wysokiej rozdzielczości, 12/17

13 3.4 GMDSS Gdańsk, czerwiec GMDSS GMDSS (ang. Global Maritime Distress and Safety System) Ogólnoświatowy system bezpieczeństwa i alarmowania. Jest to zbiór procedur bezpieczeństwa, wyposażenia oraz środków łączności radiowej i satelitarnej przewidziany dla zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi i umożliwienia szybkiego, skutecznego alarmowania w sytuacji wypadku na morzu, przesyłania informacji ważnych dla bezpieczeństwa statków oraz zapewnienia łączności w czasie akcji poszukiwawczo ratowniczych (SAR). System GMDSS jest przeznaczony do następujących zadań [7, 13]: alarmowania o zagrożeniu, lokalizowania miejsc katastrof morskich, wspomagania akcji ratunkowych, rozpowszechniania informacji związanych z bezpieczeństwem żeglugi, zapewnienia łączności tzw. ogólnej, związanej z eksploatacją statku. Do telekomunikacyjnej obsługi tych zadań przeznaczone są następujące systemy, tworzące strukturę użytkową GMDSS-u [7]: geostacjonarny system radiokomunikacji satelitarnej INMARSAT, satelitarny system biegunowy do alarmowania i lokalizacji obiektów w niebezpieczeństwie o nazwie COSPAS-SARSAT (ang. Search and Rescue Satellite-Aided Tracking System), satelitarne radiopławy awaryjne EPIRB (ang. Emergency Positioning Indicating Radio Beacon), satelitarny system wywołania grupowego EGC (ang. Enhanced Group Calling), cyfrowe selektywne wywołanie DSC (ang. Digital Selective Calling), naziemna radiotelefonia, radiotelegrafia dalekopisowa NBDP (ang. Narrow Band Direct Printing), system rozgłaszania ostrzeżeń nawigacyjnych i meteorologicznych NAVTEX (ang. Navigational Telex). System INMARSAT powstał w roku 1976 w wyniku podpisania konwencji międzyrządowej. Obecnie system ten świadczy usługi telekomunikacyjne pod nadzorem nowopowstałej organizacji komercyjnej o nazwie IMSO (ang. International Maritime Satellite Organization), która opiera swoje działanie na licencjach operatorskich w przeszło stu krajach oraz na umowach dostarczania usług telekomunikacyjnych podpisanych z kilkuset firmami w kilkudziesięciu krajach. INMARSAT świadczy usługi dla szerokiego grona użytkowników, począwszy od 1982 roku, na obszarze pomiędzy szerokościami geograficznymi ok. 75 stopni, początkowo tylko dla użytkowników morskich, od roku 1990 także dla lotnictwa, natomiast od roku 1997 również dla użytkowników lądowych. Podstawą działania systemu są cztery spośród dziewięciu satelitów telekomunikacyjnych umieszczonych na orbicie geostacjonarnej, przy czym są to satelity o różnych standardach [7]. COSPAS-SARSAT tworzą dwa niezależne systemy satelitarne: COSPAS zbudowany przez były Związek Radziecki, z orbitami biegunowymi na wysokości 1000 km, przeznaczony do poszukiwania jednostek i rozbitków na morzu, SARSAT zbudowany przez Stany Zjednoczone, Kanadę i Francję, również z orbitami biegunowymi, lecz na wysokości 850km, przeznaczony do poszukiwania i ratownictwa (ang. SAR - search and rescue). 13/17

14 3.4 GMDSS Gdańsk, czerwiec 2014 W obu systemach stosowane są dwa pasma częstotliwościowe: MHz oraz 406 MHz. W strukturze GMDSS-u system COSPAS-SARSAT służy do lokalizowania radiopław awaryjnych EPIRB, nadających sygnały alarmowe na wymienionych częstotliwościach. Jest to system w pełni globalny, co oznacza, że - w przeciwieństwie do INMARSAT-u - umożliwia wykrycie i zlokalizowanie nadającej radiopławy, która może się znajdować w dowolnym miejscu, także w obszarach podbiegunowych. Satelity systemu, po odebraniu sygnału alarmowego z radiopławy awaryjnej przekazują go, za pośrednictwem lokalnej stacji naziemnej LUT (ang. Local User Terminal), do Ratowniczego Centrum Koordynacyjnego RCC (ang. Rescue Coordination Centre). W sygnale zawarte są następujące informacje [7]: przynależność państwowa i rodzaj jednostki wzywającej pomocy, numer identyfikacyjny radiopławy, rodzaj zagrożenia, pozycja jednostki w momencie uruchomienia radiopławy. Do najważniejszych parametrów systemu należą: przepustowość, tzn. liczba jednocześnie obsługiwanych radiopław, która w przypadku podpasma MHz wynosi 10, natomiast w przypadku 406 MHz wynosi 90, błąd w kreślaniu pozycji radiopławy, który w niższym podpasmie wynosi 17.2 km, natomiast w wyższym 5 km. Głównym zadaniem systemu NAVTEX jest skoordynowane nadawanie komunikatów do jednostek pływających w strefie przybrzeżnej. Wszystkie jednostki pływające o pojemności powyżej 300 BRT (ton rejestrowych brutto) muszą być wyposażone w odbiornik tego systemu. Podstawowa charakterystyka eksploatacyjna systemu NAVTEX jest następująca [7]: stacje brzegowe nadają na jednej częstotliwości 518 khz, aby uniknąć wzajemnych zakłóceń, stosuje się podział czasu pracy poszczególnych stacji, odbiór komunikatów na jednostkach pływających odbywa się przy użyciu urządzenia radioteleksowego, odbiór komunikatów jest automatyczny w trybie obowiązkowego całodobowego nasłuchu. 14/17

15 Gdańsk, czerwiec Żargon. Skróty i akronimy Żargon pozwala wyrażać się precyzyjnie i unikać nieporozumień. Posługiwanie się żargonem umożliwia ekspertom wzajemne rozpoznawanie się i wykluczanie ze swojego towarzystwa niefachowców, w związku z czym eksperci stosują żargon chętnie [14]. Zbiór wybranych skrótów i akronimów: A1 - obszar morza objęty zasięgiem radiotelefonicznym co najmniej jednej stacji brzegowej VHF, w którym zapewniona jest ciągła łączność alarmowa za pomocą DSC A2 - obszar morza objęty zasięgiem radiotelefonicznym co najmniej jednej stacji brzegowej MF (z wyłączeniem obszaru A1), w którym zapewniona jest ciągła łączność alarmowa za pomocą DSC A3 - obszar morza, w którym jest zapewniona ciągła łączność alarmowa za pomocą systemu INMARSAT (z wyłączeniem obszaru A1 i A2) A4 - obszar morz poza obszarami A1, A2 i A3 AIS - Universal Ship-borne Automatic Identification System, uniwersalny system automatycznej identyfikacji statków ARPA - Automatic Radar Plotting Aids, urządzenie do automatycznego prowadzenia nakresów radarowych DGPS - Differential Global Positioning System, różnicowy GPS DSC - Digital Selective Calling, cyfrowe wywołanie selektywne EGC - Enhanced Group Calling, satelitarny system wywołania grupowego EPIRB - Emergency Positioning Indicating Radio Beacon, rodzaj nadajnika radiowego pozwalającego na ustalenie miejsca położenia w sytuacji zagrożenia. GMDSS - Global Maritime Distress and Safety System, światowy morski system łączności alarmowej i bezpieczeństwa GPS - NAVSAT - Global Positioning System - NAVigation System Time and Ranging, (amerykański) system nawigacji satelitarnej HF - High Frequency (3-30 MHz), fale krótkie 15/17

16 Gdańsk, czerwiec 2014 IALA - International Association of Lighthouse Authorities, Międzynarodowy morski system oznakowania nawigacyjnego MCS - Master Control Station, stacja główna MF - Medium Frequency ( khz), fale średnie MS - Monitor Station, stacja śledząca NAVTEX - Navigational Telex, system rozgłaszania ostrzeżen nawigacyjnych i meteorologicznych UTC - GPS Satellite Universal Coordinated Time, Uniwersalny czas koordynowany UTM - Universal Transverse Mercator (coordinate system), układ jednoznacznie przyporządkowujący punkty na elipsoidzie odniesienia WGS 84 odpowiednim punktom na płaszczyźnie zgodnie z odwzorowaniem walcowym wiernokątnym (Merkatora) RCC - Rescue Coordination Centre, Ratownicze Centrum Koordynacyjne LUT - Local User Terminal, lokalna stacja naziemna SAR - Search and Rescue, poszukiwawczo-ratownicza (np. o akcji, zastosowaniu systemu) SOLAS - Safety of Life at Sea, międzynarodowa konwencja o bezpieczeństwie życia na morzu WGS84 - World Geodetic System 84, system definiujący standardową elipsoidę będącą współcześnie podstawowym układem odniesienia w m.in. nawigacji satelitarnej VHF - Very High Frequency ( MHz), fale ultrakrótkie 16/17

17 LITERATURA Gdańsk, czerwiec 2014 Literatura [1] Best Sailing Club, ARPA - materiały szkoleniowe, dokument umieszczony na stronie w sieci Internet pod adresem DownloadID=33, data wejścia: [2] Bluefin Robotics, materiały promocyjne dotyczące pojazdów AUV dostępne w sieci Internet pod adresem data wejścia: [3] Czajkowski J., praca zbiorowa pod redakcją: System GMDSS regulaminy, procedury i obsługa, Skryba, Gdańsk, [4] Januszewski J., Perspektywy rozwoju nawigacyjnych i wspomagajacych systemów satelitarnych w bliskiej i dalszej przyszłości, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości telekomunikacyjne, 2014, nr 5, s [5] Januszewski J., Systemy satelitarne GPS, Galileo i inne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, [6] Jurdziński M., Podstawy nawigacji morskiej, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia, [7] Katulski R. J., Radiokomunikacja Morska, Elektronizacja, 2002, nr 6, s [8] Łubniewski Z., Telemonitoring środowiska i systemy GIS, Materiały wykladowe, Gdańsk, [9] Maciak T., Satelitarne Systemy Nawigacyjne, Materiały wykładowe, Warszawa, [10] Prieur F., Exploiting nonlinear propagation in echo sounders and sonar, artykuł prezentowany na 10. Europejskiej konferencji na temat akustyki podwodnej (ECUA), 2010, Istambuł, Turcja. [11] Rutkowski G., Systemy pozycjonowania i nawigacji podwodnej, Prace Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni, 2005, nr 17, s [12] Salamon R., Systemy Echolokacyjne, Materiały wykładowe, Gdańsk, [13] Salmonowicz W., Łączność w niebezpieczeństwie GMDSS, WSM, Szczecin, [14] Simmonds A., Wprowadzenie do transmisji danych, WKŁ, Warszawa, [15] Wawruch R., Uniwersalny statkowy system automatycznej identyfikacji (AIS), FRWSMwG, Gdynia, /17