ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY

Transkrypt

1 ISSN X e-issn DOI: / X ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY 2013 (LIV) 4 (195) GDYNIA 2013

2 RADA NAUKOWA RESEARCH COUNCIL Leif Bjørnø, Prof. (Dania) Rear Admiral Vergil Chitac, Ph.D (Romania) prof. dr hab. inż. Stanisław Dobrociński prof. dr hab. inż. Franciszek Grabski Captain Kalin Kalinov, Assoc. Prof. (Bulgaria) dr Zdzisław Kopacz, prof. AMW Gvidonas Labeckas, Prof. (Litwa) Captain Boyan Mednikarov, prof. DSc (Bulgaria) Captain Juan L. Sobrino Pérez-Crespo (Spain) KOMITET REDAKCYJNY EDITORIAL COMMITTEE Redaktor naczelny Editor-in-Chief kontradm. dr inż. Czesław Dyrcz Redaktorzy tematyczni Associate editors prof. dr hab. inż. Antoni Drapella prof. dr hab. inż. Andrzej Felski dr hab. inż. Jerzy Garus, prof. AMW dr hab. inż. Ryszard Kłos, prof. AMW Redaktor statystyczny Statistical editor dr inż. Agata Załęska-Fornal Redaktorzy językowi Language editors James Marson, MSc, Eng. (j. angielski / English) mgr Beata Różańska (j. polski / Polish) Tłumacz Translator dr Kazimierz Szczepański Wszystkie artykuły w kwartalniku zostały zrecenzowane All articles in the quarterly been reviewed Pierwotną (referencyjną) wersją Zeszytów Naukowych Akademii Marynarki Wojennej jest wersja on-line The original (reference) version of Scientific Journal of Polish Naval Academy is the on-line version Zeszyty Naukowe AMW są indeksowane w Scientific Journal of Polish Naval Academy are indexed in BazTech: Index Copernicus: Strona internetowa kwartalnika Website quarterly (zakładka/overlap: Nauka Zeszyty Naukowe AMW) Wydawca Akademia Marynarki Wojennej Gdynia ul. J. Śmidowicza 69 Publisher Polish Naval Academy J. Śmidowicza 69 St Kontakt z Redakcją Contact with the Editorial Redakcja Zeszytów Naukowych AMW Gdynia, ul. J. Śmidowicza 69 tel b.rozanska@amw.gdynia.pl

3 SPIS TREŚCI CONTENTS Karolina Chorzewska Mozaikowanie obrazów sonarowych wykonanych urządzeniami holowanymi... 5 Side scan sonar image mosaicing... 5 Leszek Flis, Marek Sperski Badania odporności osłon warstwowych zbudowanych ze stali kadłubowych na ostrzał pociskami 12,7 mm An investigation of the resistance of multi-layered ships steel shields to 12.7mm projectiles Krzysztof Jaskólski Zastosowanie łańcuchów Markowa w badaniu potencjalnych możliwości wykorzystania informacji automatycznego systemu identyfikacji (AIS) w aplikacjach antykolizyjnych Using Markov chains to investigate the potential possibilities of employing data from anautomatic identification system for collision avoidance applications Tomasz Kulik, Mirosław Adamski, Krzysztof Ogonowski, Leszek Cwojdziński Wykorzystanie śmigłowców w kierowaniu morskimi operacjami poszukiwawczo-ratowniczymi Use of helicopters in control of maritime search and rescue operation

4 Spis treści / Contents Mariusz Specht Wybrane charakterystyki eksploatacyjne wojskowych odbiorników GPS z modułem SAASM Selected performance characteristics of GPS SAASM receivers Mariusz Wąż, Krzysztof Naus Wizualizacja wielowymiarowego obrazu radarowego Displaying multidimensional radar image

5 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY 2013 (LIV) 4 (195) Karolina Chorzewska 1) MOZAIKOWANIE OBRAZÓW SONAROWYCH WYKONANYCH URZĄDZENIAMI HOLOWANYMI SIDE SCAN SONAR IMAGE MOSAICING STRESZCZENIE Obrazy sonarowe analizowane są zazwyczaj w dwóch podstawowych formach: tzw. widoku waterfall, najbliżej związanego z metodą ich pozyskiwania, oraz mozaiki, czyli kompilacji sonogramów z odniesieniem geograficznym. Utworzenie mozaiki sonarowej wymaga zastosowania wielu przekształceń oryginalnych danych. W artykule przedstawiono etapy tworzenia mozaiki sonarowej na przykładzie dwóch mechanizmów mozaikowania dostępnych w pakiecie oprogramowania Caris HIPS and SIPS. Omówiono efekty stosowania poszczególnych technik przetwarzania obrazu oraz wyboru konkretnej techniki mozaikowania. Słowa kluczowe: sonar boczny, sonogram, mozaikowanie, oprogramowanie hydrograficzne. ABSTRACT Sonar images are usually analyzed in two basic forms: the so called waterfall, the most closely connected with the method used to obtain them, and the geo-referenced mosaic, i.e. a compilation of sonograms with geographic reference. To make a sonar mosaic requires using several transformations of original data. This paper presents the stages of making a sonar mosaic based on two examples of two mosaic mechanisms available in the software package Caris HIPS and SIPS. It discusses the results of using the respective techniques for processing an image, and selecting the particular mosaicing technique. Keywords: side sonar, sonogram, mosaicing, hydrographic software. DOI: / X/ ) Dywizjon Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej, Gdynia, ul. Rondo Bitwy pod Oliwą, karolina.chorzewska@gmail.com 5

6 Karolina Chorzewska WSTĘP Obraz sonarowy jest graficznym zobrazowaniem poziomu sygnału akustycznego odbitego od dna morza lub obiektów podwodnych i odebranego przez przetwornik. Operator sonaru holowanego najczęściej obserwuje obraz sonarowy w tzw. widoku waterfall (rys. 1.), w którym oś pozioma reprezentuje zazwyczaj odległość skośną (slant range) od sonaru do przedstawianych obiektów, natomiast samo zobrazowanie przesuwa się wzdłuż osi pionowej w miarę opromieniowywania kolejnych obszarów przez wiązki sonaru. Pliki z danymi zapisywane są w formacie właściwym dla danego sonaru lub oprogramowania wykorzystywanego do akwizycji danych. Postprocessing obrazów sonarowych z sonaru holowanego rozpoczyna się zazwyczaj również od widoku waterfall. Często jednak przydatne jest odniesienie geograficzne zebranych danych, dające między innymi możliwość porównania danych sonarowych z innego rodzaju informacjami o dnie morza dla danej lokalizacji. Niezbędne wtedy jest utworzenie tzw. mozaiki sonogramów, czyli spójnego obrazu z odniesieniem geograficznym, złożonego z wielu obrazów składowych [12]. Mozaiki są często eksportowane do popularnych plików graficznych, zazwyczaj z odniesieniem geograficznym (TIF). Tego typu produkty znajdują wiele zastosowań INTRODUCTION A sonar image is a graphic representation of an acoustic signal level reflected from the seafloor bottom and underwater objects, and received by a transducer. A side scan sonar operator can in most cases observe a sonar image as the so called waterfall view (fig. 1), in which the horizontal axis usually represents a slant range from a sonar to objects represented, whereas an imaging itself moves along the vertical axis as successive areas are covered by sonar beams. Files containing data are recorded in the format appropriate for a particular sonar or in the format of software used for data acquisition. Usually postprocessing of sonar images from a side scan sonar also starts with the waterfall view. However, it is often useful to reference geographically collected data as this gives, among others, a possibility to compare sonar data with other data related to the sea-bottom in a particular location. Then, it is necessary to make the so called sonogram mosaic, i.e. a cohesive image with geographical reference consisting of several component images [12]. Mosaics are often exported to popular graphics files, usually with geographical reference (TIF). Products of this kind have a lot of uses in oceanographic investigations and they do not require specialized software dedicated to analyzing sonar data. 6 4 (195)

7 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA w badaniach oceanograficznych i nie wymagają specjalistycznego oprogramowania dedykowanego do analizy danych sonarowych. Część oprogramowania do akwizycji danych oferuje możliwość generowania mozaiki w czasie rzeczywistym. Główną funkcją takiego narzędzia jest wówczas kontrola pokrycia dna akwenu. Zazwyczaj jednak otrzymanie wartościowego pod względem zawartej informacji i atrakcyjnego wizualnie obrazu wymaga zastosowania szeregu korekcji, dlatego w dalszym ciągu dominujące są techniki mozaikowania w postprocessingu. Part of the software used for data acquisition offers possibilities to generate mosaics in real time. The main function of such a tool is, then, to control the coverage of the sea bottom. However, usually to obtain an image worthwhile with regard to the data it contains and visually attractive requires making several corrections. Therefore, mosaicing continues to be dominant in postprocessing. Rys. 1. Widok waterfall sonogramu sonaru holowanego Fig. 1. Waterfall view from a side scan sonar 2013 (LIV) 7

8 Karolina Chorzewska Technika mozaikowania obrazów sonarowych w niniejszym artykule przedstawiona została na przykładzie oprogramowania Caris HIPS and SIPS w wersji 8.0. Podobne narzędzia oferuje jednak wiele pakietów oprogramowania specjalizujących się w analizie danych hydrograficznych, między innymi Hypack [6], SonarWiz [11] i DeepVision [10]. Sonogramy wykorzystane w przedstawionych poniżej przykładach pochodzą z ogólnodostępnej bazy danych hydrograficznych amerykańskiego National Ocean Service, zarządzanej przez National Geophysical Data Center [7]. W przeprowadzonych w 2007 roku pomiarach wykorzystano sonar Klein Sonogramy pozyskano, wykorzystując kanał wysokiej częstotliwości (445 KHz). Wybrany zestaw sonogramów pochodzi z prac prowadzonych w trudnym dla pomiarów z sonarem holowanym środowisku, jakim jest basen portowy (w tym wypadku akweny przyległe do terminalu kontenerowego portu Fort Lauderdale na Florydzie rys. 2.). Mozaiki wykorzystane w artykule powstały w ramach realizowanego w National Geophysical Data Center projektu National Ocean Service Side Scan Sonar Inventory Development. The software Caris HIPS and SIPS version 8.0 is used in this paper by way of example to present the mosaicing technique. However, similar tools are offered by several software packages dedicated to analyzing hydrographic data, e.g. Hypack [6], SonarWiz [11], and DeepVision [10]. Sonograms used in the examples presented below come from the generally accessible hydrographic data base of the American National Ocean Service, managed by National Geophysical Data Center [7]. The sonar Klein 3000 was used to conduct the measurements in The high frequency channel (445 KHz) was used to obtain the sonograms. The selected set of sonograms comes from the work done in an environment which is difficult for conducting measurements with a side scan sonar. A harbor basin is such an environment (in this case water areas adjacent to the container terminal in Fort Lauderdale Port, Florida fig. 2). The mosaics used in the paper were made under the project National Ocean Service Side Scan Sonar Inventory Development realized in National Geophysical Data Center. 8 4 (195)

9 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Rys. 2. Ślady sonaru holowanego na tle mapy nawigacyjnej nr Fort Lauderdale Port Everglades Fig. 2. Traces of a side scan sonar against the background of a navigational chart No Fort Lauderdale Port Everglades MOZAIKOWANIE Z WYKORZYSTANIEM MECHANIZMU CARIS SIPS Pierwszym krokiem do utworzenia mozaiki jest import danych sonarowych do programu Caris. Sonogramy konwertowane są wówczas z wejściowego formatu danych (w tym MOSAICING WITH CARIS SIPS The first step to make a mosaic is to import sonar data to Caris. Then sonograms are converted, from the input data format (in this case SDF) to the format appropriate for the software used, and included in the structure of the Caris design. Using Caris 2013 (LIV) 9

10 Karolina Chorzewska przypadku SDF) do właściwego dla używanego oprogramowania formatu i włączane w strukturę projektu Caris. Praca z projektami Caris wymaga segregacji danych wejściowych względem jednostki pomiarowej (przyporządkowanie do właściwego pliku HVF HIPS Vessel File) oraz czasu (Julian Day). Organizacja danych w projekcie wymaga nieco zaangażowania, umożliwia jednak spójne zarządzanie danymi i uwzględnianie zmian w konfiguracji jednostki pomiarowej. Właściwe odniesienie geograficzne mozaiki wymaga wyznaczenia rzeczywistych pozycji holowanego sonaru na podstawie rejestracji parametrów nawigacyjnych, które odnoszą się zwykle do jednostki holującej. W popularnej metodzie wyznacza się tzw. layback, czyli odległość sonaru za rufą jednostki w zależności od długości wydanej kabloliny i przyjętego współczynnika. W zależności od modelu sonaru wykorzystuje się również dane z czujników zainstalowanych wraz z przetwornikami, takich jak czujniki kierunku, głębokości i zanurzenia. Narzędzia oprogramowania analizy danych umożliwiają modyfikację zarejestrowanych parametrów nawigacyjnych. Zazwyczaj sprowadza się to do usunięcia błędnych rejestracji. Rysunek 3. przedstawia okno narzędzia Navigation Editor. Narzędzie Attitude Editor (rys. 4.) oferuje podobną analizę rejestracji z czujników designs requires segregation of input data with regard to the measurement unit (assigning to the right HVF HIPS Vessel File) as well as to time (Julian Day). Organizing data in the design requires some effort but it offers possibility to efficiently manage data and take into account changes in configuration of the measurement unit. The appropriate geographical reference of a mosaic requires determining real positions of the side scan sonar based on recording navigational parameters which usually refer to the hauling vessel. In the popular method the so called layback is determined, which is the distance of the sonar from behind the vessel s stern depending on the length of the cable-rope laid out and the coefficient adopted. Depending on the sonar model, sensors installed with transducers such as sensors of direction, depth and submergence are also made use of. The software tools for analyzing data can be used to modify the navigational parameters recorded. Usually it resolves itself into eliminating redundant recordings. Fig. 3 presents a window of the tool Navigation Editor. The Attitude Editor (fig. 4) offers a similar analysis of recordings from movement sensors installed in the side scan sonar. Smoothing the series of items can result in improving the 10 4 (195)

11 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA ruchu zainstalowanych w holowanym sonarze. Wygładzenie zarejestrowanych szeregów pozycji może poprawić jakość obrazu wynikowego, należy jednak pamiętać, że jest to ingerencja w oryginalne dane. quality of the image. It must be, however, remembered that it is interference into the original data. Rys. 3. Okno narzędzia Navigation Editor Fig. 3. A window of the tool Navigation Editor Rys. 4. Okno narzędzia Attitude Editor Fig. 4. A window of the tool Attitude Editor 2013 (LIV) 11

12 Karolina Chorzewska Utworzenie mozaiki sonarowej poprzedza wiele korekt, które mają wpływ na wygląd wynikowego obrazu. Pierwsza jest korekcja odległości skośnych (Slant Range Correction). Sonogram jest w rzeczywistości rejestracją przebiegów czasowych intensywności sygnału. Na nieprzetworzonym obrazie sonarowym (rys. 5.) odległość danego piksela od linii środkowej obrazu jest funkcją czasu, jaki upłynął od wyemitowania sygnału akustycznego do odebrania sygnału o poziomie określającym jasność danego piksela. Algorytm korekcji odległości skośnych polega na ponownym próbkowaniu danych, z wyznaczeniem odległości (przy założonej prędkości dźwięku) jako funkcji czasu. W ten sposób otrzymuje się odległość skośną (Slant Range), która wraz z wysokością sonaru nad dnem jest wielkością wejściową do wyznaczenia rzeczywistej odległości po dnie [2]. Zaawansowane algorytmy korekcji odległości skośnych uwzględniają batymetrię akwenu (która musi wówczas stanowić kolejną warstwę w projekcie Caris) oraz dane o wysokości sonaru nad dnem, pochodzące z czujnika zainstalowanego w sonarze. W przypadku gdy dane takie nie są dostępne, algorytm zakłada płaskie dno, natomiast informacja o wysokości sonaru nad dnem pochodzi z samego sonogramu. Wymaga to Creating a sonar mosaic is preceded by a series of corrections which have an effect on the appearance of the resultant image. The first correction is a Slant Range Correction. The sonogram is actually a record of time runs of signal intensity. In the sonar image which is not processed (fig. 5) the range of a pixel from the centerline of the image is a function of time which elapses from the moment an acoustic signal is emitted to the moment a signal of the level determining the brightens of the pixel is received. A slant range correction algorithm consists in repeated data sampling determining the range (at the assumed sound speed) as a time function. This way the slant range is obtained which along with the elevation of the sonar above the sea bottom is an input magnitude used to determine the real range across the bottom [2]. Advanced slant range correction algorithms take into account the water area bathymetry (which, then, has to constitute another layer in the Caris design) and data, from the sensor installed in the sonar, related to elevation of the sonar above the bottom. In the case when such data are unavailable the algorithm assumes that the bottom is flat while the data related to the elevation of the sonar above the bottom comes from the 12 4 (195)

13 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA zdigitalizowania linii pierwszego odbicia na sonogramie (zielona linia na rys. 5.). Programy do analizy danych hydrograficznych oferują narzędzia do automatycznej detekcji pierwszego odbicia. W przypadku gdy ze względu na właściwości akustyczne dna lub obecność obiektów w kolumnie wody automatyczne algorytmy nie zapewniają akceptowalnych rezultatów, konieczna bywa manualna digitalizacja linii pierwszego odbicia, a tym samym wysokości sonaru nad dnem. Rysunek 6. przedstawia wynik zastosowania korekcji odległości skośnych sonogramu z rysunku 4. przy automatycznej detekcji pierwszego odbicia, założeniu o płaskim dnie, przyjętej prędkości dźwięku w wodzie równej 1500 m/s i rozdzielczości obrazu 0,1 m. sonogram itself. This requires digitizing the line of the first reflection in the sonogram (green line in fig. 5). The software used to analyze hydrographic data offer tools for automatic selection of the first reflection. In the case when automatic algorithms do not provide acceptable results because of acoustic features of the bottom or presence of objects in the water column it is necessary to manually digitize the first reflection line and thus the elevation of the sonar above the bottom. Figure 6 presents the result of using sonar slant range corrections from figure 4 at automatic detection of the first reflection, assumption of flat bottom, sound velocity in water equal to 1500 m/s and image resolution 0.1 m. Rys. 5. Obraz sonarowy przed zastosowaniem korekcji, zieloną linią oznaczono efekt działania automatycznego algorytmu detekcji pierwszego odbicia Fig. 5. Sonar image before correction, green line marks the result of using automatic algorithm of first reflection detection 2013 (LIV) 13

14 Karolina Chorzewska Rys. 6. Efekt zastosowania korekcji odległości skośnych w programie Caris SIPS Fig. 6. The result of using slant range corrections in Caris SIPS Kolejnym zabiegiem poprawiającym jakość obrazów sonarowych jest tzw. Beam Pattern Correction, który ma na celu zniwelowanie efektu większej intensywności pikseli położonych bliżej linii środkowej sonogramu. Zastosowanie tej korekcji wymaga wygenerowania pliku zawierającego tzw. beam pattern, czyli wykresu średniej intensywności sygnału w funkcji odległości od linii środkowej sonogramu podczas rejestracji odbicia od możliwie płaskiego, jednorodnego dna, pozbawionego obiektów na dnie i w toni wodnej. Znalezienie takiego akwenu w basenie portowym jest bardzo trudne. W przykładzie na rysunku 7. wybrano niewielki fragment sonogramu, możliwie najbliższy wymienionym wyżej warunkom, i na jego podstawie wygenerowano beam pattern. Efekt korekcji przedstawiono na rysunku 8. Another action to improve the quality of sonar images is the so called Beam Pattern Correction. Its aim is to counteract the effect of higher intensity of pixels located closer to the sonogram centerline. To use this correction requires generating a file containing the so called beam pattern, i.e. a diagram of the mean intensity signal in function of the range from the sonogram centerline recorded when being reflected from as flat as possible, homogenous bottom without objects left on the bottom or in the water depth. To find such a water area in a harbor basin is extremely difficult. A small sonogram fragment, as close as possible to the conditions mentioned above is selected and used to generate a beam pattern in the example in figure 7. The correction results are presented in figure (195)

15 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Rys. 7. Okno narzędzia Beam Pattern Correction: prawy górny panel wykres zawartości pliku beam pattern, prawy dolny panel widok waterfall linii sonogramu, obszar wykorzystany do wyznaczenia beam pattern znajduje się pomiędzy poziomymi żółtymi liniami; lokalizacja fragmentu sonogramu wyświetlonego w widoku waterfall przedstawiona jest na środkowym panelu Fig. 7. A window of the tool Beam Pattern Correction: right-side top panel a diagram of beam pattern content, right-side bottom panel a waterfall view of sonogram line, the area used to determine the beam pattern is located between two yellow lines; the location of sonogram fragment displayed in the waterfall view is presented in the center panel Rys. 8. Efekt zastosowania Beam Pattern Correction Fig. 8. The result of using Beam Pattern Correction 2013 (LIV) 15

16 Karolina Chorzewska Korekcja AVG (Angle-Varying Gain) ma na celu zniwelowanie efektu różnic w intensywności sygnału wynikających z kąta odbicia wiązki od osadów dennych [2]. Efekt jej zastosowania dla wielkości okna filtru równej 100 pikselom przedstawiono na rysunku 9. The aim of AVG (Angle-Varying Gain) is to counteract the effect of differences in signal intensity resulting from the angle of beam reflection from bottom sediment. [2] The result of using this correction with regard to the window filter magnitude which equals 100 pixels are shown in figure 9. Rys. 9. Efekt zastosowania korekcji AVG Fig. 9. The result of using AVG correction Korekcja TVG (Time-Varying Gain) pozwala na zastosowanie wzmocnienia sygnału zależnego od czasu. W przykładzie na rysunku 10. zastosowano wzmocnienie zgodnie z zależnością: 0,2 log(r) + 0,001 R 2 [db], gdzie R jest wejściowym poziomem sygnału. Usuwanie szumu z zastosowaniem narzędzia Despeckle polega na zastosowaniu filtra uśredniającego lub medianowego do zmiany wartości piksela przekraczającego ustaloną wartość progu w lokalnym otoczeniu o określonej wielkości. Rysunek 11. TVG (Time-Varying Gain) correction makes it possible to use signal gain dependent on time. In the example in fig.10 the gain is used in accordance with the dependence 0.2 log(r) + + 0,001 R 2 [db], where R is the input signal level. Eliminating noise with the tool Despeckle consists in using an averaging or median filter to change the pixel value exceeding the adopted threshold value in a local environment of a given size. Figure 11 presents the result of using a median filter with regard to pixels exceeding the median 16 4 (195)

17 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA przedstawia efekt użycia filtra medianowego dla pikseli przekraczających o co najmniej 100% medianę w otoczeniu 3 na 3 piksele. by at least 100% in the environment of 3 by 3 pixels. Rys. 10. Efekt zastosowania wzmocnienia TVG Fig. 10. The result of using TVG Rys. 11. Efekt zastosowania filtru usuwającego szum Fig. 11. The result of using noise eliminating filter Następną czynnością na drodze do utworzenia mozaiki w programie Caris, po zastosowaniu wymaganych korekcji, jest utworzenie tzw. Geo- BaR (Georeferenced Backscatter Raster) dla każdej linii. GeoBaR jest rastrem z odniesieniem geograficznym, The next action on the way to making a mosaic in Caris, once necessary corrections have been made, is to make the so called GeoBaR (Georeferenced Backscatter Raster) for each line. A GeoBaR is a raster with geographic reference built from a data 2013 (LIV) 17

18 Karolina Chorzewska utworzonym z informacji zawartej w pojedynczej linii, można więc go nazwać mozaiką z pojedynczej linii. W strukturze plików Caris zapisywany jest w tym samym formacie pliku jak wynikowa mozaika (CSAR). GeoBaR pojedynczego pliku z sonaru holowanego na tle mapy nawigacyjnej przedstawiono na rysunku 12. contained in a single line, thus it can be referred to as a single line mosaic. In the file structure of Caris it is stored in the same file format as the resultant mosaic (CSAR). A GeoBaR of a single file from a side scan sonar is presented in figure 12 against the background of a navigational chart. Rys. 12. Fragment GeoBaR-u pojedynczego pliku z sonaru holowanego Fig. 12. A fragment of a GeoBaR of a single file from a side scan sonar Mozaikowanie z wykorzystaniem mechanizmu SIPS polega na połączeniu większej liczby GeoBaR-ów w jeden wynikowy raster z odniesieniem geograficznym, początkowo w formacie CSAR, i wyeksportowanie go do pliku, na przykład TIF. Użytkownik programu definiuje rozdzielczość mozaiki, mapę kolorów oraz wybiera algorytm wyznaczania wartości pikseli w przypadku nakładania się składowych rastrów. Mosaicing with SIPS consists of combining a larger number of GeoBaRs into one resultant raster with geographical reference, initially in the CSAR format and exporting it to, for example, a TIF file. A user of the program defines the mosaic resolution, a map of colors and chooses an algorithm for determining pixel values in case component rasters overlap. The mosaic resolution can not be larger than that 18 4 (195)

19 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Rozdzielczość mozaiki nie może być większa niż rozdzielczość tworzących ją rastrów, w przeciwnym przypadku rastry GeoBaR muszą zostać ponownie próbkowane, do żądanej rozdzielczości. Decyzja o wartości pikseli w przypadku nakładania się rastrów podejmowana jest w oparciu o jeden z pięciu dostępnych algorytmów. Metoda Auto-Seam przyporządkowuje pikselowi wagi, w zależności od ich położenia względem linii środkowej oryginalnego sonogramu. Piksele ze środka zasięgu mają większe wagi niż te pochodzące bezpośrednio spod sonaru bądź z obszarów leżących na skraju zasięgu pomiarów [4]. Metoda Full Blend, również oparta na schemacie wag, używa funkcję Blend mechanizmu Geocoder. Overwrite i Underlay biorą pod uwagę kolejność wyświetlenia rastrów, natomiast Shine Through wybiera najwyższą wartość intensywności danego piksela spośród dostępnych rastrów [2]. W poniższych przykładach wybrano metodę Full-Blend. Gotową mozaikę o rozdzielczości 25 cm, powstałą z dziewięciu sonogramów po zastosowaniu wszystkich opisanych wyżej korekcji za wyjątkiem AVG, obrazującą pokrycie akwenu basenu portowego, przedstawiono na rysunku 13. of the component raster, otherwise GeoBaR rasters have to be sampled again to the demanded resolution. A decision concerning pixel values, when rasters overlap, is based on one of the five algorithms available. The Auto-Seam method assigns weights to a pixel, depending on their position with regard to the centerline of the original sonogram. Pixels from the middle of the range have larger weights than the ones coming from directly beneath the sonar or from areas lying on the border of the measurement ranges [4]. The Full Blend method, also based on the weight scheme, uses a function Blend from the Geocoder mechanizm. Overwrite and Underlay take into account the order in which rasters are displayed while Shine Through selects the highest intensity value of the pixel out of the rasters available [2]. In the examples below the Full- -Blend method is chosen. A completed mosaic of 25 cm resolution, made from 9 sonograms, once all the corrections described above have been used, with the exception of AVG, displaying coverage of the water area in a harbor basin is presented in figure (LIV) 19

20 Karolina Chorzewska Rys. 13. Mozaika obrazów sonarowych sonaru holowanego przedstawiająca pokrycie akwenu basenu portowego Fig. 13. Mosaic of sonar images from a side scan sonar showing coverage an area of a harbor basin Rys. 14. Fragment mozaiki z rysunku 13. Fig. 14. A fragment of a mosaic from figure (195)

21 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA BŁĘDY OBRAZU WYNIKAJĄCE Z TECHNIKI MOZAIKOWANIA Obrazy sonarowe w formie mozaiki zawierają wiele informacji, które mogą być wykorzystane do różnego rodzaju analiz przestrzennych, w tym oceny rodzaju osadów dennych bądź lokalizacji obiektów podwodnych. Zastosowanie techniki mozaikowania względem oryginalnych sonogramów powoduje jednak pojawienie się na obrazie struktur będących efektem zastosowanych algorytmów, a nie rejestracji pochodzących z sonaru. Cechą wspólną niemal wszystkich mozaik utworzonych z sonogramów z sonarów holowanych jest wyraźnie widoczna linia środkowa. Korekcja odległości skośnych usuwa zobrazowanie kolumny wody, nie eliminuje jednak całkowicie efektu różnic w intensywności pikseli sonogramu odpowiadających obszarom bezpośrednio pod sonarem (1 na rys. 15.). Nieciągłości mozaiki są efektem niedokładności rezultatów algorytmu detekcji pierwszego odbicia (2 na rys. 15.). Kolejnym problemem przy mozaikowaniu sonogramów jest wyznaczanie wartości pikseli w wypadku nakładania się sonogramów [1]. Przy dwóch równoległych liniach holowania sonaru strefa nakładania się sonogramów jest niemalże niedostrzegalna IMAGE ERRORS RESULTING FROM MOSAICING TECHNIQUE Sonar images in the form of a mosaic contain a lot of data which can be used for a variety of spatial analyses, including assessment of the type of bottom sediment or location of underwater objects. However, using the mosaicing technique in relation to the original sonograms leads to appearance of structures in the image which are the result of the algorithms used, not the result of direct recording from the sonar. The common feature of almost all mosaics made from sonograms from a side scan sonar is a clearly visible centerline. The slant range correction removes a display of the water column but it does not fully eliminate the result of differences in sonogram pixel intensity relating to the area directly beneath the sonar (1 in fig. 15). Non-continuity of a mosaic is caused by inaccuracy in the results of the first reflection detection algorithm (2 in fig. 15). Another problem related to the sonogram mosaicing is determining pixel values when sonograms overlap [1]. In the case of two parallel lines related to hauling of the sonar the zone of sonogram overlapping is hardly noticeable in the middle of the range. However, the algorithm used 2013 (LIV) 21

22 Karolina Chorzewska w środku zasięgu. Jednak algorytm zastosowany w przykładzie z rysunku 16. nie dał już tak dobrego rezultatu w przypadku przecinających się pod kątem linii holowania sonaru, pozostawiając wyraźną różnicę w intensywności pikseli pochodzących z różnych GeoBaR-ów (1 na rys. 16.). Wyraźnie widoczne na rysunku 17. prążki są efektem interpolacji między liniami oryginalnego sonogramu stosowanej w sytuacji, gdy sonar nie poruszał się po linii prostej. Tego rodzaju algorytm został dokładnie opisany przez M. Pałczyńskiego w [8]. in the example in fig. 16 does not give such a good result in the case of two sonar hauling lines which cross each other at an angle, showing a clear difference in pixel intensity coming from various GeoBaRs (1 in fig. 16). The lines clearly visible in figure 17 are the results of interpolation between the lines of the original sonogram, used when the sonar did not move along the straight line. This kind of algorithm was described in detail by M. Pałczyński [8]. Rys. 15. Efekt linii środkowej na mozaice: 1 różnice w intensywności pikseli sonogramu odpowiadających obszarom bezpośrednio pod sonarem, 2 efekt niedokładności rezultatów algorytmu detekcji pierwszego odbicia Fig. 15. The result of a center line in a mosaic: 1 differences in sonogram pixel intensity, relating to the areas directly beneath the sonar, 2 the result of inaccuracy in the results of the first reflection detection algorithm 22 4 (195)

23 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Rys. 16. Efekt nakładania się sonogramów Fig. 16. The result of sonogram overlapping Rys. 17. Efekt interpolacji między liniami oryginalnego sonogramu Fig. 17. The result of interpolation between lines of the original sonogram MOZAIKOWANIE Z WYKORZYSTANIEM MECHANIZMU GEOCODER Geocoder jest narzędziem przeznaczonym głównie do analizy danych dotyczących poziomu rozpraszania MOSAICING WITH GEOCODER The Geocoder is a tool designed to analyze data related to the level of reverse scattering, coming from a mulitibeam backscatter. Owing to the similarity of one of the forms 2013 (LIV) 23

24 Karolina Chorzewska wstecznego pochodzących z echosondy wielowiązkowej (Mulitibeam Backscatter). Ze względu na podobieństwo jednej z form rejestrowania poziomu sygnału przez echosondę wielowiązkową do rejestracji z klasycznego sonaru bocznego [4] narzędzie to jest również użyteczne w analizie i mozaikowaniu sonogramów. Różnice wynikające ze wzmocnień lub zmian szerokości impulsu zastosowanych na etapie akwizycji danych zostają wyeliminowane przed rozpoczęciem jakichkolwiek korekcji. Przetwarzanie danych z wykorzystaniem mechanizmu Geocoder rozpoczyna się od zastosowania korekcji radiometrycznych (automatycznej korekcji AVG, TVG oraz wzmocnienia Gain) zastosowanych do surowych danych oraz typowej korekcji odległości skośnych (w przypadku danych z sonaru holowanego z zastosowaniem założenia płaskiego dna) [4]. Usunięcie szumu odbywa się za pomocą morfologicznego filtra medianowego z progiem. W programie Caris użytkownik wybiera jeden z czterech poziomów działania filtra, nie ma jednak wpływu na dokładne jego parametry [4]. Mechanizm Geocoder oferuje automatyczny algorytm antyalisingu. Problem pojawia się wówczas, gdy of signal level recording with a multibeam echsounder to the recording from a conventional side scan sonar [4] this tool is also useful for analyzing and mosaicing sonograms. The differences resulting from gains of or changes in the width of the impulse, used at the data acquisition stage, are eliminated before any corrections begin. Data processing with the Geocoder begins with radiometric corrections (automatic corrections AVG, TVG and Gain) applied to raw data and to typical correction of slant ranges ( in the case of data from a side scan sonar it is assumed that the bottom is flat). To eliminate the noise a morphological median filter with threshold is used. In Caris a user chooses one of four filter performance levels but he/she does not have any influence on its accurate parameters [4]. The Gedecoder offers an automatic anti-aliasing algorithm. The problem of aliasing appears when the mosaic spatial resolution is higher than the resolution of samples from a sonogram once their spatial orientation has been determined. A simple interpolation brings about a very clear result in the resultant image (fig. 18). The anti-aliasing algorithm does not fully eliminate the undesirable result (195)

25 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA rozdzielczość przestrzenna mozaiki jest większa niż rozdzielczość próbek pochodzących z sonogramu po ustaleniu ich orientacji przestrzennej. Prosta interpolacja powoduje wyraźny efekt prążków na obrazie wynikowym (rys. 18.). Algorytm antyaliasingu nie usuwa całkowicie niepożądanego efektu, poprawia jednak spójność obrazu (rys. 19.) [4]. It only improves the image cohesion (fig. 19) [4]. Beam Pattern Correction in Caris Geocoder requires generating a file containing Beam Pattern in somewhat different form than in the case of Caris SIPS. A diagram of data from the file used in the example below is presented in figure 20. Beam Pattern Correction w Caris Geocoder wymaga wygenerowania pliku zawierającego Beam Pattern w nieco innej formie niż w przypadku Caris SIPS. Wykres danych z przykładowego pliku przedstawiono na rysunku 20. Rys. 18. GeoBaR wygenerowany za pomocą narzędzia Caris Geocoder bez zastosowania algorytmu antyaliasingu Fig. 18. GeoBaR generated with Caris Geocoder without using an anti-aliasing algorithm 2013 (LIV) 25

26 Karolina Chorzewska Rys. 19. GeoBaR wygenerowany za pomocą narzędzia Caris Geocoder z zastosowaniem algorytmu antyaliasingu Fig. 19. GeoBaR generated with Caris Geocoder with anti-aliasing algorithm Rys. 20. Beam Patern wygenerowany do użycia w narzędziu Geocoder Fig. 20. Beam Patern generated for use in the Geocoder 26 4 (195)

27 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Fragment gotowej mozaiki utworzonej z wykorzystaniem mechanizmu Geocoder w programie Caris przedstawiono na rysunku 21. Uwagę zwracają spójne pod względem poziomów jasności obszary zobrazowania dna, ułatwiające zastosowanie narzędzi do oceny rodzajów osadów dennych, co znajduje szczególne zastosowanie w przypadku danych poziomu rozpraszania wstecznego z echosondy wielowiązkowej. Mozaiki Geocoder nie są natomiast zoptymalizowane pod kątem kontrastu niezbędnego do detekcji niewielkich obiektów. A fragment of mosaic made with the Geocoder in Caris is presented in figure 21. Attention is attracted to the bottom area displays, cohesive with regard to brightness levels, facilitating use of tools for assessing the types of bottom sediment, which can be utilized especially in the case of data related to reverse scattering levels from a multibeam echosounder. However, Geocoder mosaics are not optimized in relation to the contrast necessary for detecting small objects. Rys. 21. Fragment mozaiki wygenerowanej za pomocą narzędzia Geocoder Fig. 21. A fragment of a mosaic generated with the Geocoder 2013 (LIV) 27

28 Karolina Chorzewska INNE OPROGRAMOWANIE HYDROGRAFICZNE Na rynku istnieje obecnie wiele pakietów oprogramowania hydrograficznego zapewniającego podobne do opisanych możliwości mozaikowania. Mechanizm Geocoder został włączony w oprogramowanie takich firm, jak Hypack, Caris, Reson, Fugro, Triton, IVS 3D, QPS czy Chesapeake Technology [10]. Ciekawą alternatywą dla komercyjnych programów do obróbki danych hydrograficznych może być darmowy pakiet oprogramowania MB-System, opracowany w Lamont-Doherty Earth Observatory, początkowo jako narzędzie w realizacji projektów badawczych Uniwersytetu Columbia związanych z hydrografią [9]. MB-System, podobnie jak Geocoder, był tworzony przede wszystkim z myślą o analizie danych z echosond wielowiązkowych, dlatego też zakres obsługiwanych formatów sonogramów z sonarów holowanych jest nieco ograniczony. Pakiet narzędzi MB-System jest jednak stale rozwijany przez inżynierów reprezentujących nie tylko LDEO i w najbliższym czasie można się spodziewać dodatkowych obsługiwanych formatów. PODSUMOWANIE Mozaikowanie sonogramów jest procesem pozwalającym nie tylko na kontrolę pokrycia akwenu podczas OTHER HYDROGRAPHIC SOFTWARE There are a lot of software packages available on the market which offer mosaicing possibilities similar to those described above. The Geocoder has been included in software of firms such as Hypack, Caris, Reson, Fugro, Triton, IVS 3D, QPS czy Chesapeake Technology [10]. A free software package MB-System is an interesting alternative for commercial software for hydrographic data processing, developed at Lamont-Doherty Earth Observatory, initially as a tool for executing Columbia University research projects related to hydrography [9]. The MB-System, like the Geocoder, was developed mainly for analyzing data from multibeam echosounders. Therefore, the range of the sonogram formats from side scan sonars it can be applied to is somewhat limited. The MB-System tool package is still being developed by engineers representing not only LDEO. Thus it can be expected that in the near future the number of formats it can be applied to will grow. CONCLUDING REMARKS Sonogram mosaicing is a process which offers the possibilities not only to control water area coverage during sonar measurements but also to develop useful products facilitating 28 4 (195)

29 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA pomiarów sonarowych, ale również na tworzenie użytecznych produktów ułatwiających analizę pozyskanych danych. Proces ten wymaga jednak zastosowania szeregu korekcji, niezbędnych do przekształcenia spróbkowanych przebiegów czasowych poziomu sygnału w czytelny obraz z odniesieniem geograficznym. Współczesne oprogramowanie pozwala na wykonywanie tych operacji w pewnym zakresie na bieżąco podczas akwizycji danych, jak również w postprocessingu, umożliwiając użytkownikowi kontrolę wielu parametrów procesu mozaikowania oraz wygenerowanie spójnego i atrakcyjnego wizualnie obrazu. Należy jednak pamiętać, że stosowanie niektórych narzędzi może powodować utratę informacji zawartych w oryginalnym sonogramie bądź oznaczać znaczny stopień ingerencji w zarejestrowane dane. BIBLIOGRAFIA / REFERENCES [1] Borawski M., Problemy przetwarzania obrazu sonarowego na potrzeby sonarowej mapy dna, Roczniki Geomatyki, 2009, Vol. 7, No 5, pp (Issues in sonar image processing for sonar map of sea-bottom available only in Polish). [2] Caris HIPS and SIPS 7.0 User Guide, [3] Caris HIPS and SIPS 8.0 Training Module, Sonar Image Data Processing, analyses of data acquired. However the process requires, using several corrections necessary to transfer sampled time runs of signal level to a readable image with geographic reference. Contemporary software can be used to carry out these operations, to some extent, at the same time as data are being acquired, as well as in postprocessing, which allows a user to control mosaicing process parameters and to generate a cohesive and visually attractive image. However, it must be remembered that using some tools can lead to losing some data contained in the original sonogram or it means a large degree of interference into the data recorded. [4] Fonseca L., Calder B., Geocoder: an efficient backscatter map constructor, hy05/08_3.pdf ( ). [5] GeoCoder, theme/data-processing / geocoder ( ). [6] HYPACK: Hydrographic Survey and Processing Software, sales/products/hypack/tabid/ 56/default.aspx ( ). [7] NOS Hydrographic Survey Data, /bathymetry/hydro.html ( ) (LIV) 29

30 Karolina Chorzewska [8] Pałczyński M., Automatyzacja budowy sonarowej mapy dna na podstawie obrazów z sonaru bocznego, Roczniki Geomatyki, 2009, Vol. 7, No 5, pp (Automation of making a sonar sea-bottom map based on side scan sonar images available only in Polish). [9] Seafloor Mapping Software: Processing and Display of Swath Sonar Data, columbia. edu/res/pi/mb-system/ ( ). [10] Side Scan Sonar Software, sonar-software/ ( ). [11] SonarWiz 5, chesapeaketech.com/products/sonar Wiz-5.php ( ). [12] Szatan M. I, Kaberow R., Mozaikowanie obrazów sonarowych, Przegląd Hydrograficzny, 2008, No 4 (Mosaicing sonar images available only in Polish) (195)

31 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY 2013 (LIV) 4 (195) Leszek Flis 1), Marek Sperski 1) BADANIA ODPORNOŚCI OSŁON WARSTWOWYCH ZBUDOWANYCH ZE STALI KADŁUBOWYCH NA OSTRZAŁ POCISKAMI 12,7 mm AN INVESTIGATION OF THE RESISTANCE OF MULTI-LAYERED SHIPS STEEL SHIELDS TO 12.7 mm PROJECTILES STRESZCZENIE Posługując się licencjonowanymi programami komputerowymi opartymi na metodzie elementów skończonych przeprowadzono symulacje procesu przebijania okrętowych osłon balistycznych pociskami karabinowymi 12,7 mm. Badaniom poddano osłony złożone z jednej do sześciu warstw o grubościach 24 mm i 30 mm, wykonanych ze stali kadłubowej o zwykłej i podwyższonej wytrzymałości. Rezultaty badań mogą być pomocne w projektowaniu okrętowych osłon balistycznych narażonych na ostrzał pociskami karabinowymi. Słowa kluczowe: kuloodporność, pancerze, symulacja komputerowa, eksperyment. ABSTRACT Licensed computer software based on the final element method was used to carry out a simulation process for penetrating ship ballistic shields with 12.7 mm ammunition. The investigations included shields consisting of one to six layers of ships steel of both standard and enhanced strength 24 mm and 30 mm thick. The results obtained can be useful in designing ballistic shields for protection against small arms fire. Keywords: projectile resistance, armor, computer- -based simulation, experiment. DOI: / X/ ) Akademia Marynarki Wojennej, Wydział Mechaniczno-Elektryczny, Gdynia, ul. J. Śmidowicza 69; {l.flis; m.sperski}@amw.gdynia.pl 31

32 Leszek Flis, Marek Sperski WSTĘP Problem budowy wielowarstwowych osłon balistycznych chroniących wybrane obszary i pomieszczenia na statkach przed atakami terrorystycznymi stał się szczególnie aktualny pod koniec XX wieku. Większość prac nad tym problemem, bliskich praktycznym zastosowaniom, zawiera rezultaty pomiarów lub nawiązuje do eksperymentów przeprowadzonych z użyciem pocisków 7,62 mm. Wyniki badań eksperymentalnych A. Almohandesa, M. Abdel-Kadera i A. Eleiche a [1] stały się podstawą do potwierdzenia nieskomplikowanej teorii procesu udarowego wycinania korka w wielowarstwowych osłonach balistycznych na okrętach, przedstawionej przez C. Lianga, M. Yanga i W. Wu [2]. Do tych wyników nawiązują również G. Ben-Dor, A. Dubinsky i T. Elperin prezentujący model obliczeniowy przebijania przez sztywne pociski osłon zbudowanych z materiałów ciągliwych, przedzielonych warstwami powietrza [3]. Odmienny od poprzednich model analityczny, zilustrowany liczbowymi przykładami przebijania przez sztywne pociski o średnicy 11,3 mm dwuwarstwowych osłon ze stali i stopów aluminiowych, opublikowali G. Yossifon, A. Yarin i M. Rubin [4]. Wyniki własnych obliczeń porównali z rezultatami symulacji komputerowych przeprowadzonych metodą elementów skończonych, za pomocą komercyjnego programu Autodyn2D. INTRODUCTION The issue of building multi-layered ballistic shields protecting selected areas and compartments aboard ships against terrorist attacks became especially topical at the end of the 20th century. Most publications dealing with this problem and seeking practical applications, include results of measurements and focus on experiments conducted with 7.62 ammunition. The results of experimental investigations carried out by A. Almohandes, M. Abdel-Kader i A. Eleiche [1] were used to prove an uncomplicated theory, presented by C. Liang, M. Yang and W. Wu [2], of a process of blanking plugs in multi-layered ballistic shields in ships. G. Ben-Dor, A. Dubinsky and T. Elperin also refer to these results when they present a model for calculating penetration of shields made from ductile materials, separated by air layers, with rigid projectiles [3]. The analytical model different from the previous ones, illustrated with examples using numerical data related to penetration of two-layered shields, made from steel and aluminum alloys, with 11.3 mm rigid projectiles was published by G. Yossifon, A. Yarin i M. Rubin [4]. They used commercially available software Autodyn2D to compare the results of their own calculations with the results of computer based simulations performed with the finite element method (195)

33 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Podstawowy analityczny model, rozwijany w późniejszych latach przez innych autorów, wraz z badaniami odporności na przebicie wielowarstwowych tarcz o grubościach 1,4 6,4 mm pociskami o spłaszczonych i stożkowych wierzchołkach przedstawili w 1988 r. J. Radin i W. Goldsmith [5]. Praca M. Huanga [6] zawiera wyniki obliczeń metodą elementów skończonych, procesu przebijania stalowych tarcz jedno- i dwuwarstwowych ośmioma rodzajami sztywnych pocisków o różnych masach, średnicach i kształtach wierzchołków. Serię eksperymentów związanych z przebijaniem dwuwarstwowych tarcz ze stali kadłubowej i stopu aluminiowego pociskami karabinowymi 7,62 mm przeprowadzili S. Dobrociński, W. Jurczak i J. Kolenda [7]. Problemami odporności balistycznej dwuwarstwowych osłon okrętowych zbudowanych ze stali o odmiennych właściwościach wytrzymałościowych ostrzeliwanych pociskami 7,62 mm zajmował się Z. Zatorski [8], a pociskami 12,6 mm B. Szturomski [11]. W kraju zespół Wojskowej Akademii Technicznej (T. Niezgoda, A. Morka i in.) prowadzi badania eksperymentalno-numeryczne w bardzo szerokim zakresie, między innymi w temacie zderzeń pocisków z tarczą, czego przykładem mogą być publikacje [14, 15]. In 1988 r. J. Radin and W. Goldsmith [5] presented the basic analytical model, improved in later years by other authors, along with investigations into resistance penetration of multi-layered shields mm thick with both flattened and pointed nose projectiles. The work by M. Hugan [6] includes calculation results, performed with the final element method, of the penetration process of one and two-layered steel targets with eight types of rigid projectiles of varied weight, diameter and nose shape. S. Dobrociński, W. Jurczak i J. Kolenda [7] have conducted a series of experiments focused on penetration of two-layered targets, made from hull steel and aluminum alloy, with 7.62mm rifle bullets. Z. Zatorski [8] has investigated problems related to ballistic resistance of two-layered ship shields made from steel of varied resistance properties hit by 7.62 mm projectiles, whereas B. Szturomski [11] has focused on 12.6 mm projectiles. In Poland a team from the Defense University of Technology (T. Niezgoda, A. Morka and others) have carried out experimental-numerical investigations on a very wide scale. They have dealt, among others, with issues relating to projectile-target collision, which is exemplified in publications [14, 15] (LIV) 33

34 Leszek Flis, Marek Sperski Na podstawie przeprowadzonych badań autorzy cytowanych prac formułują wnioski zmierzające do ustalenia najkorzystniejszych, z uwagi na odporność balistyczną, właściwości materiałowych, grubości i usytuowania poszczególnych warstw osłony. Przy różnych kształtach wierzchołków, masach, średnicach i prędkościach pocisków te wnioski bywają jednak odmienne. Wynika stąd potrzeba bliższego rozpoznania odporności okrętowych osłon balistycznych złożonych z warstw na ostrzał pociskami karabinowymi większego kalibru. METODA BADAŃ Narzędziem do badań opisanych w niniejszym artykule było licencjonowane oprogramowanie komputerowe oparte na metodzie elementów skończonych: ANSYS AUTODYNA rozwijany przez międzynarodową fundację Century Dynamics (od 2005 r. ANSYS) z główną siedzibą w podlondyńskim Horsham [10]. Przyjęto, że pancerz ostrzeliwany prostopadle przez nieodkształcalne pociski jest zbudowany z materiału sprężystoplastycznego ze wzmocnieniem nieliniowym według uproszczonego modelu Johnsona i Cooka, gdzie pomija się człon wpływu temperatury i rezygnuje z równania stanu. Uproszenia powyższe są uprawnione, a nawet zalecane [14]: The authors of the publications referred to, use the investigation results to formulate conclusions aimed at determining the most favorable choice, with regard to ballistic resistance, material properties, and thickness and layout of particular layers of a shield. Yet, the conclusions differ depending on differences in projectile tip, weight, diameter and velocity. Thus there is a need to study more closely the resistance of ships ballistic shields made of layers to the fire of small arms of higher caliber. THE METHODS OF INVESTIGATION The tool used in the investigations described in this paper is the licensed software ANSYS AUTODYNA based on the finite element method. It has been developed by the international foundation Century Dynamics (ANSYS since 2005) whose main office is in Horsham near London [10]. It was assumed that armor hit at a right angle with non-deformed projectiles was built of elastic-plastic material with nonlinear strengthening in accordance with the simplified Johnson and Cook model, where temperature effect is neglected and state equation is dropped. The simplifications above are acceptable, even recommended [14]: 34 4 (195)

35 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA p n y + * ( 1 C ln & ) σ = ( A + Bε ) ε, (1) p * gdzie σ, ε, ε,& y & = ε / EPS0 oznaczają odpowiednio: obliczane naprężenie podczas symulacji zgodnie z formułą, efektywne odkształcenie plastyczne oraz znormalizowane efektywne prędkości odkształcenia, gdzie: p * where σ, ε, ε, & y & = ε / EPS0 refer to respectively: the stress calculated during the simulation in accordance with the formula, effective plastic deformation and standardized effective deformation velocities, where: & ε efektywna prędkość odkształcenia / effective deformation velocity; EPS0 quasi-statyczny próg prędkości odkształcania / quasi-statistical deformation velocity threshold; A, B, C, n stałe współczynniki wyznaczane eksperymentalnie (A to granica plastyczności materiału) / constant ratios determined experimentally (A is the boundary of material elasticity) [1]. Zastosowane w modelu kryterium zniszczenia to wartość efektywnego odkształcenia plastycznego określana jako: The destruction criterion used in the model is the effective plastic deformation magnitude defined as: t p p ( D ) ij D 3 ij p 2 2 ε = dt, (2) 0 1 gdzie: where: p D ij komponent plastyczny (dewiator) tensora odkształcenia / plastic component (deviator) of deformation tensor. Wartości liczbowe wymienionych współczynników we wzorze (1), charakteryzujących właściwości fizyczne materiału pancerza, wyznaczono na podstawie pomiarów przeprowadzonych w laboratorium wytrzymałościowym Instytutu Podstaw Konstrukcji The values of the ratios mentioned in the formula (1), characterizing physical properties of armor material, were determined based on the measurements done in the strength laboratory of the Institute of Machinery Construction Fundamentals, 2013 (LIV) 35

36 Leszek Flis, Marek Sperski Maszyn przy Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni oraz na podstawie serii eksperymentów połączonych z przestrzeliwaniem stalowych próbek zamontowanych na wahadle balistycznym wyposażonym w odpowiednie przyrządy pomiarowe. Istota eksperymentu sprowadzała się do przestrzeliwania fabrycznymi pociskami karabinowymi 12,7 mm stalowych próbek o grubościach zmieniających się (co 2 mm) od 8 do 32 mm oraz pomiarów prędkości pocisku przed i za przestrzeloną próbką. Bliższy opis eksperymentu przedstawił B. Szturomski w pracy [11]. Szczegóły dotyczące kształtu, budowy i wymiarów pocisku (o masie m = 4,96 10 kg) podano w pracy [12]. 2 Próbki w postaci krążków o średnicy 120 mm, wspartych w wahadle balistycznym na tulei o średnicy wewnętrznej 100 mm, wykonano z okrętowej stali konstrukcyjnej o symbolu 10GHMBA, gęstości ρ = 7830 kg/m 3, 5 module sprężystości E = 2,09 10 MPa, współczynniku Poissona ν = 0, 3, granicy plastyczności R = 695 MPa, statycznej wytrzymałości na rozciąganie R = 758,5 MPa oraz statycznej wy- m trzymałości na ścinanie R = 438 MPa. Modele obliczeniowe przestrzeliwanych krążków podzielono, zależnie od grubości próbek, na e τ Naval Academy Gdynia, as well as on a series of experiments combined with firing through steel test pieces installed on a ballistic pendulum equipped with appropriate measuring instruments. The purpose of the experiment was to shoot factory made 12.7 mm projectiles through steel test pieces 8 to 32 mm thick (changing every 2 mm) and to measure bullet velocity magnitudes in front of and behind the test piece shot through. A more detailed account of the experiment is presented by B. Szturomski [11]. Details related to the shape, structure and dimensions of the bullet (weighing in [12]. m = 4, kg) is given The test pieces in the form of disks 120mm in diameter, supported in a ballistic pendulum on a tube blank having 100mm inside diameter, were made of shipbuilding steel 10GHMBA, having: density ρ = 7830 kg/m, elas- 5 ticity module E = 2,09 10 MPa, Poisson s ratio ν = 0, 3, g, plasticity border MPa, static resistance to tension R = 758, 5 MPa and static re- m sistance to shearing R = 438 MPa. The calculation models of the shot through test pieces were divided, depending on the thickness of the test pieces, into octahedral final elements with nodes in corners and six degrees of freedom τ 36 4 (195)

37 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA ośmiościennych elementów skończonych z węzłami w narożach i sześcioma stopniami swobody w każdym węźle. Liczba węzłów przy tym podziale wyniosła odpowiednio od 3792 do Obliczenia, wykonane za pomocą programu LS-DYNA, wykazały dobrą zgodność z eksperymentem po wprowadzeniu następujących wartości stałych materiałowych: A R = 695MPa; B = 510 MPa; = e n = 0,26; C = 0, 014. Do obliczeń przebijania krążków ze stali o symbolu St41, statycznej wytrzymałości na rozciąganie R m = 410 MPa i granicy plastyczności Re = 350 MPa wprowadzono następujące stałe materiałowe: A = 350 MPa, B = 275 MPa, C = 0,022, n = 0,36. Za kryterium zniszczenia elementu z tej stali przyjęto przekroczenie maksymalnej wartości efektywnego odkształcenia plastycznego. Posługując się stałymi materiałowymi, wyznaczonymi na próbkach jednowarstwowych w sposób opisany powyżej, przeprowadzono symulacje komputerowe (rys. 2. i 4.) procesu przebijania próbek wielowarstwowych o takich samych grubościach całkowitych, lecz różnych grubościach i konfiguracjach poszczególnych warstw. in each node. With this division, the number of nodes was respectively from 3792 to The calculations, performed with the software LS-DYNA, showed good conformity with the experiment when the following constant material magnitudes were introduced: A R = 695 MPa; = e B = 510 MPa; n = 0,26; C = 0, 014. To calculate penetration of the steel disks made of St41 steel, static resistance to elasticity R m = 410 MPa and plasticity border Re = 350 MPa, the following material constants were introduced: A = 350 MPa, B = = 275 MPa, C = 0,022, n = 0,36. Exceeding the maximum value of effective plastic deformation was adopted as the destruction criterion for an element made of this steel. Using the material constants, determined on one-layer test pieces in the way described above, computer based simulations (fig. 2 and 4) were made of the penetration of multilayered test pieces having the same total thicknesses but different thicknesses and configurations in particular layers (LIV) 37

38 Leszek Flis, Marek Sperski REZULTATY OBLICZEŃ W tabeli 1. zestawiono wyniki obliczeń prędkości końcowych sztywnego pocisku po prostopadłym przebiciu tarcz o łącznej grubości 24 mm, złożonych z 1 6 krążków (rys. 1.) o różnych grubościach i średnicy 120 mm. Przyjęto w tej serii badań, że wszystkie krążki są zbudowane ze stali kadłubowej o podwyższonej wytrzymałości (symbolu 10GHBMA), a pociski uderzają w tarcze z lewej strony ze średnią prędkością początkową równą 786 m/s. Wynik w ostatniej kolumnie tabeli odnosi się do przypadku sztywnego zamocowania brzegów tarczy w tulei; w pozostałych przypadkach krążki tarcz zamocowano sztywno na wszystkich krawędziach. Ze względów technicznych nie realizowano pomiarów prędkości pocisku tuż przed uderzeniem w tarczę. THE RESULTS OF CALCULATIONS Table 1 presents the results of the calculations relative to the rigid projectile final velocities following the right angle penetration of targets whose total thickness was 24 mm, and which were composed of 1 6 disks (fig. 1) with different thicknesses, and a diameter of 120 mm. In this series of investigations it was assumed that all the disks were built of ships steel of enhanced strength (10GHBMA) and the projectiles hit the targets from the left side at an average velocity equal to 786 m/s. The result in the final column refers to the case where the edges of the target were rigidly fitted in the tube blank. For some technical reasons the projectile velocity was not measured just before hitting the target. Tabela 1. Wyniki obliczeń prędkości końcowych pocisku [m/s] po prostopadłym przebiciu tarcz zbudowanych ze stalowych (10GHMBA) krążków o różnych grubościach (prędkość początkowa pocisku: 786 m/s) Table 1. The calculation results of the projectile final velocity [m/s] following the perpendicular penetration of a target made of steel (10GHMBA) disks of varied thickness (projectile initial velocity: 786m/s 38 4 (195)

39 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Największą kuloodporność spośród rozpatrywanych przykładów wykazała tarcza monolityczna, najmniejszą zaś tarcza zbudowana z sześciu warstw sztywno utwierdzonych na krawędziach. The highest projectile resistance of the cases considered was demonstrated by a monolithic target, whereas the least resistance was demonstrated by a target made of six layers rigidly fitted on the edges. Rys. 1. Zmiana prędkości pocisku podczas przebijania tarcz o grubości 24 mm wykonanych ze stali 10GHMBA: 1 tarcza sześciowarstwowa (6x4 mm), 2 tarcza trójwarstwowa (3x8 mm), 3 tarcza dwuwarstwowa (2x12 mm), 4 tarcza monolityczna (24 mm) Fig. 1. Change in projectile velocity at the moment of penetrating targets 24 mm thick, made of 10GHMBA steel: 1 six-layered target (6x4 mm), 2 three-layered target (3x8 mm), 3 two-layered target (2x12 mm), 4 monolithic target (24 mm) 2013 (LIV) 39

40 Leszek Flis, Marek Sperski Rys. 2. Rozkład naprężenia zredukowanego wg hipotezy Hubera w tej samej chwili czasowej przebijania tarcz, oznaczonych na rysunku 1. odpowiednio numerami: 1, 2, 3, 4 Fig. 2. Stress distribution reduced, in accordance with Huber hypothesis, at the same time moment of target penetration, marked in the figure with respective numbers: 1, 2, 3, (195)

41 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Na rysunku 1. pokazano przebieg zmian prędkości pocisku jako funkcję drogi przebytej przez pocisk od chwili uderzenia w tarcze o łącznych grubościach 24 mm, złożonych odpowiednio z sześciu, trzech i dwóch przylegających do siebie warstw, oraz w tarczę jednowarstwową (monolityczną). Droga przebyta przez pocisk do chwili całkowitego przebicia tarczy (47 50 mm) jest większa od grubości tarczy (24 mm) z racji rozszerzającego się ku końcowi wierzchołka pocisku oraz odkształcenia materiału pancerza. W obliczeniach przyjęto, że wszystkie krążki tarcz są sztywno zamocowane na krawędziach. Całkowity czas przebijania tarczy monolitycznej wyniósł 101,2 µs, a tarczy sześciowarstwowej 88,8 µs. Rysunek 3. przedstawia przebieg zmiany wypadkowych sił oporu, z jakimi materiał tarcz oddziałuje na przebijający je prostopadle sztywny pocisk 12,7 mm uderzający z prędkością początkową 786 m/s. Średnia wartość siły oporu P śr obliczona z twierdzenia o przyroście energii kinetycznej: Figure 1 shows the distribution of changes in projectile velocity as a function of distance travelled by the projectile from the moment of hitting targets having the total thickness 24 mm, composed respectively of six, three and two layers adjacent to each other, and one, one-layer (monolithic) target. The distance travelled by the projectile up to the moment of complete target penetration (47 50 mm) is larger than the target thickness (24 mm) due to expansion of the projectile top towards its end as well as deformations in the armor material. In these calculations it was adopted that all the target disks are rigidly fitted on the edges. The total monolithic target penetration time was µs, and it was 88,8 µs in the case of the six-layered target. Figure 3 presents distribution of change in the resultant resistance force values with which the target material affects the 12.7mm rigid projectile penetrating the targets at an initial velocity of 786 m/s. The average value of resistance force P calculated from the gain in kinetic śr energy theorem: 2 mv0 mv k = P s, (3) śr gdzie: where: 2013 (LIV) 41

42 Leszek Flis, Marek Sperski m masa pocisku / projectile weight; v 0, v k prędkość początkowa i końcowa / initial and final; s droga przebyta przez pocisk: 238 kn podczas przebijania tarczy monolitycznej, 223 kn podczas przebijania tarczy dwuwarstwowej (2 12 mm), 222 kn podczas przebijania tarczy trójwarstwowej (3 8 mm), 201 kn w przypadku przebijania tarczy sześciowarstwowej (6 4 mm), gdy wszystkie tarcze zbudowane są ze stali o symbolu 10GHMBA / distance travelled by the projectile: 238kN at the time of penetrating a monolithic target, 223kN at the time of penetrating a two-layered target (2x12mm), 222kN at the time of penetrating a three-layered target (3x8mm), 201kN at the time of penetrating a four-layered target (4x6mm), when all the target are made of 10GHMBA steel. Rys. 3. Zmiany wartości sił oporu działających na pocisk 12,7 mm podczas przebijania tarcz o grubości 24 mm zbudowanych ze stali 10GHMBA: 1 tarcza monolityczna (24 mm), 2 tarcza dwuwarstwowa (2x12 mm), 3 tarcza trójwarstwowa (3x8 mm), 4 tarcza sześciowarstwowa (6x4 mm) Fig. 3. Changes in values of resistance force affecting the 12.7 mm projectile at the moment of penetrating targets 24 mm thick, made of 10GHMBA steel: 1 monolithic target (24 mm), 2 two-layered target (2x12 mm), 3 three-layered target (3x8 mm), 4 four-layered target (6x4 mm) 42 4 (195)

43 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA W tabeli 2. zestawiono wyniki obliczeń prędkości końcowych sztywnego pocisku po prostopadłym przebiciu tarcz o grubości 24 mm, zbudowanych z dwóch warstw o różnych właściwościach wytrzymałościowych: stali kadłubowej St41 (o wytrzymałości na rozciąganie 410 MPa) oraz stali o symbolu 10GHMBA (o wytrzymałości na rozciąganie 758,5 MPa). We wszystkich przypadkach przyjęto sztywne zamocowanie krawędzi krążków tarczy oraz prędkość początkową pocisku w chwili uderzenia o tarczę równą 786 m/s. Table 2 presents the calculation results of the final velocity of a rigid projectile following the right angle penetration of targets 24 mm thick, made of two layers of varied resistance property: St41 ships steel (tensile strength- 410MPa) and 10GHMBA steel (tensile strength MPa). In all the cases it was adopted that target disk edges were rigidly fitted and the initial projectile velocity at the moment of hitting the target equaled 786 m/s. Tabela 2. Wyniki obliczeń prędkości (m/s) pocisku po prostopadłym przebiciu tarcz dwuwarstwowych o grubości 24 mm zbudowanych ze stali o niższej (St41) i podwyższonej (10GHMBA) wytrzymałości (prędkość początkowa pocisku: 786 m/s) Table 2. The calculation results of the projectile velocity (m/s) following the perpendicular penetration of a two-layered target 24mm thick, made of steel of lower than (St41) and enhanced (10GHMBA) resistance (the projectile initial velocity: 786 m/s) Gdy grubość obu warstw była jednakowa, a warstwa o niższej wytrzymałości cieńsza, nieco korzystniejszy z uwagi na kuloodporność osłony okazał się układ z warstwą czołową o niższej wytrzymałości. Gdy jednak warstwa o niższej wytrzymałości była dwukrotnie grubsza od pozostałej When the thickness of both layers were the same, and the layer of lower strength was thinner, the arrangement with the frontal layer of lower strength proved a little better due to shield projectile resistance. When, however, the layer of lower strength was twice as thick as the other layers 2013 (LIV) 43

44 Leszek Flis, Marek Sperski warstwy, tarcza z warstwą czołową o podwyższonej wytrzymałości wykazała nieco większą odporność na ostrzał pociskami 12,7 mm. Wyniki obliczeń prędkości końcowych sztywnego pocisku 12,7 mm po prostopadłym przebiciu tarcz o grubości 30 mm, złożonych z warstw stalowych o podwyższonej (10GHMBA) i niższej (St41) wytrzymałości, zestawiono w tabeli 3. Eksperymenty opisane w pracach [11, 12] pokazały, że minimalna grubość monolitycznego (jednowarstwowego) pancerza ze stali 10GHMBA potrzebna do zatrzymania pocisku 12,7 mm uderzającego o pancerz z prędkością bliską 800 m/s wynosi 31 mm. the target with the head layer of enhanced strength demonstrated a little higher resistance to 12.7 mm projectiles. The calculation results of 12.7 mm rigid projectile final velocity values following the perpendicular penetration of targets 30 mm thick, made from steel layers of enhanced (10GHMBA) and lower (St41) strength, are shown in table 3. The experiments described in publications [11, 12] showed that the minimum thickness of monolithic armor (one-layer) made of (10GHMBA) steel was needed to stop a 12.7 mm projectile hitting the armor with the velocity close to 800 m/s is 31 mm. Tabela 3. Prędkości końcowe (m/s) sztywnego pocisku 12,7 mm po prostopadłym przebiciu tarcz o grubości 30 mm złożonych z krążków stalowych o podwyższonej (10GHMBA) i niższej (St41) wytrzymałości (prędkość początkowa pocisku: 786 m/s) Table 3. The final velocity values (m/s) of a rigid 12.7mm projectile following the perpendicular penetration of a target 30mm thick, made from steel disks of enhanced (10GHMBA) and lower (St41) strength (projectile initial velocity: 786m/s) 44 4 (195)

45 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Rys. 4. Zmiany rozkładu naprężenia zredukowanego wg hipotezy Hubera podczas przebijania tarczy dwuwarstwowej, oznaczonej na rysunku 1. numerem 2 w różnych chwilach czasowych Fig. 4. Changes in stress distribution, reduced in accordance with Huber hypothesis, at the time of penetrating a two-layered target marked in the figure with numbers 1and 2 at different time moments 2013 (LIV) 45

46 Leszek Flis, Marek Sperski Podobnie jak w przypadku ostrzału tarcz warstwowych o grubości 24 mm, najbardziej odporna na przebicie wśród tarcz o grubości 30 mm okazała się tarcza monolityczna, wykonana ze stali o podwyższonej wytrzymałości. Zwiększenie liczby warstw bez zmiany całkowitej grubości tarczy doprowadziło do osłabienia odporności balistycznej osłony. Kolejność ustawienia warstw o jednakowych grubościach (15+15 mm) wykonanych ze stali o odmiennych właściwościach wytrzymałościowych nie wpłynęła na kuloodporność osłony w sposób istotny. Natomiast w przypadku jednoczesnego zróżnicowania grubości i właściwości wytrzymałościowych poszczególnych warstw korzystniejsze okazało się umieszczenie warstwy o niższej wytrzymałości od strony uderzenia pocisku. WNIOSKI Wyniki omówionych obliczeń, w zestawieniu z rezultatami prac cytowanych we wstępie, pozwalają na sformułowanie następujących wniosków. Stalowe osłony monolityczne (jednowarstwowe) ostrzeliwane typowymi pociskami 12,7 mm z prędkościami ostrzału bliskimi 800 m/s są bardziej odporne na przebicie niż osłony złożone z większej liczby warstw wykonanych z tego samego As in the case of firing at a layered target 24 mm thick, the monolithic target of enhanced strength proved the most resistant to penetration of all the targets 30 mm thick. Increasing the number of layers without a change in the total thickness of a target led to weakening of the ballistic shield resistance. The order of placing layers of the same thickness (15+15 mm) made of steel of different strength properties did not significantly affect shield projectile resistance. On the other hand, in the case of simultaneous differentiation of thickness and strength properties of the particular layers, placing the layer of lower stress at the side of projectile hit proved a little more advantageous. CONCLUSIONS The calculation results compared with the results in the publications cited in the introduction allow formulating the following conclusions. Steel monolithic (one-layer) shields fired at with standard 12.7 mm projectiles at the fire velocity close to 800m/s are more resistant to penetration than the shields composed of a larger number of layers made of the same material, when the layer thickness remains unchanged. It follows from the literature review that this conclusion can be generalized 46 4 (195)

47 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA materiału, gdy grubość osłony pozostaje niezmieniona. Z przeglądu literatury wynika, że wniosek ten można uogólnić na wszelkie osłony stalowe ostrzeliwane pociskami karabinowymi o obłych i płaskich wierzchołkach. Stosowanie osłon warstwowych w okrętownictwie jest uzasadnione w przypadkach potrzeby wzmocnienia kuloodporności oraz wytrzymałości konstrukcji istniejących. Może być też korzystne z uwagi na możliwości naprawy uszkodzeń. Wprowadzenie odstępów między warstwami obniża odporność balistyczną osłony ostrzeliwanej pociskami o wierzchołkach owalnym i stożkowym [3, 6]. Kolejność ustawienia warstw w osłonach dwuwarstwowych zbudowanych z gatunków stali o różnych właściwościach wytrzymałościowych nie wpływa w sposób istotny na kuloodporność osłony ostrzeliwanej pociskami 12,7 mm, pod warunkiem że grubości obu warstw są zbliżone. Na podstawie prac [4, 7] taki sam wniosek można odnieść do osłon stalowoaluminiowych ostrzeliwanych pociskami o średnicach 11,3 i 7,62 mm. Jeżeli grubości warstw dwuwarstwowej osłony zbudowanej z różnych rodzajów stali różniły się znacznie, nieco wyższą odporność na ostrzał pociskami 12,7 mm wykazywała osłona z warstwą o niższej wytrzymałości od strony uderzenia pocisku. across all steel shields fired at with small arms projectiles having flat or cylindrical tops. Using layered shields in shipbuilding is justified in cases when there is a need to enhance the projectile resistance as well as the strength of existing structures. This can also prove beneficial due to possibility of repairing damage. Introducing gaps between layers lowers ballistic resistance of shields fired at with projectiles having oval or conical tops [3, 6]. The order of placing the layers in two-layered shields made of steel of different strength properties does not significantly affect projectile resistance of shields fired at with 12.7 mm projectiles, on the condition that the thickness of both layers is similar. Following the publications [4, 7] the same conclusion can be applied to steel-aluminum shields fired at with 11.3 and 7.62 mm projectiles. If the thickness of a two-layered shield built from different kinds of steel varied significantly, the shield with a layer of lower resistance on the side hit by the projectile demonstrated a little higher resistance to fire with 12,7 mm projectiles (LIV) 47

48 BIBLIOGRAFIA / REFERENCES [1] Almohandes A. A, Abdel-Kader M. S., Eleiche A. M., Experimental investigation of the ballistic resistance of steel-fiberglass reinforced polyester laminated plates, Composites, Part B: Engineering, 1996, 27 (5), pp [2] Liang C. C., Yang M. F., Wu W., Resistant performance of perforation of multi-layered targets using an estimation procedure with marine application, Ocean Engineering, 2005, 32 (3 4), pp [3] Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T., On the ballistic resistance of multi-layered targets with air gaps, International Journal of Solid Structures, 1998, 35 (23), pp [4] Yossifon G., Yarin A. L., Rubin M. B., Penetration of a rigid projectile into a multi-layered target: theory and numerical computations, International Journal of Engineering Science, 2002, 40, pp [5] Radin J., Goldsmith W., Normal projectile penetration and perforation of layered targets, International Journal of Impact Engennering, 1988, 17 (2), pp [6] Huang M., Ballistic resistance of multi-layered steel shields, Massachusetts Institute of Technology, [7] Dobrociński S., Jurczak W., Kolenda J., Porównawcze badania odporności balistycznej jedno- i dwuwarstwowych próbek ze stopu AlZn5Mg2CrZr i stali kadłubowej Leszek Flis, Marek Sperski kategorii A, Zeszyty Naukowe AMW, 2001, No 2, pp (Compartive investigations into ballistic resistance of one and two-layered test pieces made of AlZn5Mg2CrZr alloy and hull steel category A available only in Polish). [8] Zatorski Z., Teoretyczne i technologiczne podstawy projektowania okrętowych osłon balistycznych, Zeszyty Naukowe AMW, 2009, No 177 A (Theoretical and techological fundamentals of designing shipballistic shields available only in Polish). [9] Halliquist J. O., LS-DYNA Theory Manual, LSTC, [10] AUTODYN. Explicit Software for Nonlinear Dynamics, Theory Manual, Revision 4.3. Century Dynamics, Horsham, U.K., [11] Szturomski B., Badania odporności na ostrzał pociskami kalibru 12,7 mm stali 10GHMBA z wykorzystaniem wahadła balistycznego, Biuletyn WAT, 2010, No 4, pp (Investigations into resistance of 10GHMBA steel to fire with 12.7 mm available only in Polish, using ballistic pendulum). [12] Flis L., Sperski M., Badania odporności balistycznej pancerzy ze stali 10GHMBA na ostrzał pociskami 12,7 mm, Zeszyty Naukowe AMW, 2011, No 3, pp (Investigations into resistance of armor made of 10GHMBA steel to fire with 12.7 mm projectiles available only in Polish). [13] LSTC, LS-DYNA Keyword user s manual volume II, LS-DYNA Dev., November (195)

49 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA [14] Stanisławek S., Morka A., Niezgoda T., Wpływ uproszczeń w badaniach symulacyjnych zderzeń pocisków z tarczą na dokładność wyników, Biuletyn WAT, 2013, No 3, pp (The effect of simplification in simulation investigations into collision of projectiles with shield on the accuracy of the results available only in Polish). [15] Morka A., Niezgoda T., Nowak J., Sprzężona eksperymentalno-numeryczna analiza przebicia konstrukcji wielowarstwowej przez pocisk 7,62 54R typu B32, Biuletyn WAT, 2012, No 3, pp (Conjugated experimental-numerical analysis of penetrating multi-layered structure by projectile 7,62 54R type B32 available only in Polish) (LIV) 49

50

51 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY 2013 (LIV) 4 (195) Krzysztof Jaskólski 1) ZASTOSOWANIE ŁAŃCUCHÓW MARKOWA W BADANIU POTENCJALNYCH MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA INFORMACJI AUTOMATYCZNEGO SYSTEMU IDENTYFIKACJI (AIS) W APLIKACJACH ANTYKOLIZYJNYCH USING MARKOV CHAINS TO INVESTIGATE THE POTENTIAL POSSIBILITIES OF EMPLOYING DATA FROM ANAUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM FOR COLLISION AVOIDANCE APPLICATIONS STRESZCZENIE Urządzenia radiolokacyjne, jak radar czy ARPA, mają wiele ograniczeń związanych z przekazywaniem ciągłej i wiarygodnej informacji. Wynikają one z braku możliwości wykrycia ech radarowych w niekorzystnych warunkach atmosferycznych i podczas manewrowania jednostek. Istotne jest, by informację radarową uzupełniać inną, której dokładność porównywalna jest do tej pochodzącej z systemów GNSS. Takim systemem wydaje się AIS. W artykule analizę dostępności informacji o pozycji geograficznej przedstawiono, stosując dyskretne w stanach i czasie łańcuchy Markowa. Do analiz wykorzystano dane zarejestrowane w latach i w laboratorium Instytutu Nawigacji i Hydrografii Morskiej. Słowa kluczowe: AIS, łańcuchy Markowa. ABSTRACT Radio-location devices such as radar or ARPA display several limitations concerned with transferring continuous and reliable data. These limitations stem from the absence of the possibility to detect radar echo under adverse weather conditions during a maneuver executed by a vessel. It is important that the radar data be supplemented with data coming from a system working on continuous basis, with data whose accuracy is comparable to the data coming from GNSS. AIS seems to be such a system. This paper presents analysis of data availability related to geographical position using discrete in states and time the Markov chains. Data recorded in the Institute of Marine Navigation and Hydrography in and have been used to conduct analyses. Keywords: AIS, Markov chains. DOI: / X/ ) Akademia Marynarki Wojennej, Wydział Nawigacji i Uzbrojenia Okrętowego, Gdynia, ul. J. Śmidowicza 69; k.jaskolski@amw.gdynia.pl 51

52 Krzysztof Jaskólski WSTĘP AIS (Automatic Identification System), czyli system automatycznej identyfikacji statków, wprowadzono dla poprawy bezpieczeństwa żeglugi oraz możliwości wymiany na szczeblu krajowym i międzynarodowym danych o statkach płynących do lub z portów, a także wymiany informacji o przewożonych statkami pasażerach i ładunkach niebezpiecznych lub zanieczyszczających środowisko. Głównym założeniem wprowadzenia AIS było zapewnienie szerszego spektrum dostępnej, ciągłej i wiarygodnej informacji nawigacyjnej. Wykorzystanie informacji transmitowanej za pośrednictwem systemu AIS w celu podniesienia bezpieczeństwa żeglugi stało się więc zjawiskiem powszechnym. W szczególności, poza przydatnością w obszarze nadzoru ruchu na akwenie, informacje AIS mogą stanowić istotne źródło danych w procesie podejmowania decyzji związanych z unikaniem kolizji. W takich sytuacjach należy mieć jednak pełne zaufanie do informacji przekazywanej tym kanałem. Zasadne jest więc pytanie, na ile i w jakim stopniu informacja pochodząca z systemu AIS jest dostępna i wiarygodna. Studia nad specyfikacją techniczną systemu ITU R.M.1371 pozwalają wstępnie zakładać, że błędy systemu klasyfikowane jako brak wiarygodności zależeć będą od pracy sensorów INTRODUCTION AIS (Automatic Identification System) is a data exchange system which has been introduced to improve shipping safety and the possibility of exchanging data, at a country level and international level, related to ships heading to or from ports, as well as exchanging data relating to passengers and dangerous or environment-polluting cargo carried by ships. The main purpose of introducing AIS was to offer a wider spectrum of available, continuous and reliable navigational data. Using data transmitted through AIS in order to enhance shipping safety has become common. Apart from usefulness for traffic control in a marine region AIS data can be a very important source of data to be used for making decisions related to collision avoidance. However, some reservations are voiced with regard to the unconditional reliance on the data transferred through this channel. Thus, it is justifiable to ask the question how much and to what extent data coming from AIS is available and reliable. The studies on the technical specification of the ITU R.M.1371 system can allow the assumption that errors classified as lack of reliability will depend on the performance of sensors co-working with AIS and human errors made by operators, and those fitting the devices (195)

53 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA współpracujących z AIS oraz błędów ludzkich popełnianych przez operatorów i instalatorów urządzeń. Obecnie problem wyznaczania współrzędnych pozycji dla potrzeb nawigacji morskiej rozważany w kategoriach błędu pomiaru wydaje się już nie istnieć. Jego realizacja jest jedynie funkcją zastosowanego rozwiązania technicznego. W tej sytuacji istotnego znaczenia nabierają równie ważne, choć często pomijane, eksploatacyjne charakterystyki systemów radionawigacyjnych, takie jak dostępność, niezawodność, ciągłość czy wiarygodność. Traktowanie AIS jako systemu radionawigacyjnego jest jednak dyskusyjne. Jest to w istocie radiowy kanał transmisji informacji. Dlatego w artykule posłużono się pojęciem dostępności informacji. Miara ta będzie wyrażana metodami statystycznymi. POJĘCIE DOSTĘPNOŚCI INFORMACJI AIS ORAZ WSPÓŁCZYNNIKA DOSTĘPNOŚCI INFORMACJI Dla celów przedstawionych wyników badań zdefiniowano dwa pojęcia. Dostępność informacji: stopień zgodności odebranych przez użytkowników informacji z treścią wiadomości charakterystycznych dla AIS, zgodnych ze specyfikacją ITU R.M.1371, w dowolnym momencie, w strefie działania systemu. At present the problem of fixing position co-ordinates for marine navigation purposes considered in categories of measurement error seems to have been solved. Its realization is only a function of the technical solution employed. In this situation, equally important but often neglected operation characteristics of radionavigation systems, such as availability, continuity and reliability are of increasing importance. However, treating AIS as a radionavigation system is disputable. It is actually a radio channel for data transmission. That is why the notion of data availability is used in the paper. This measure will be expressed with statistical methods. THE NOTIONS OF AIS DATA AVAILABILITY AND OF DATA AVAILABILITY RATIO For the purposes of investigating the results presented two concepts are defined. Availability of data: degree of conformity of data received by users with the content of a message characteristic of AIS, compatible with the ITU R.M.1371 specification, at any moment, in the zone where the system is operating. In this case AIS data availability refers to the conformity of data, related to geographical position, received by 2013 (LIV) 53

54 Krzysztof Jaskólski W tym przypadku dostępność informacji AIS odnosi się do zgodności odebranej przez użytkownika informacji dotyczącej pozycji geograficznej z treścią wiadomości charakterystycznej dla depeszy nr 1 AIS, zgodniej z treścią specyfikacji technicznej systemu AIS. Wartości poprawnych i niepoprawnych danych dotyczących pozycji przestawiono w tabeli 1. a user with the content of a message characteristic of AIS type No 1, compatible with the technical specification for AIS. The investigation approach presented this way substantially facilitates developing an availability investigation model based on postprocessing methods. Tak przedstawione podejście badawcze ułatwia opracowanie modelu badań dostępności informacji w oparciu o sposoby postprocessingowe. Tabela 1. Zestawienie poprawnych i niepoprawnych wartości pozycji geograficznej depeszy nr 1 AIS Table 1. Correct and incorrect values relating to geographical position of No 1 AIS message Pozycja geograficzna Geographical position Wartość poprawna Correct value Wartość niepoprawna Incorrect value LONGITUDE ± LATITUDE ±90 91 Źródło / Source: Draft Revision of Recommendation ITU-R.M Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in VHF maritime mobile band, Radiocommunication study Groups, Interenational Telecomuniction Union, Współczynnik dostępności: graniczna wartość wielkości zdefiniowanej jako dostępność informacji nawigacyjnej przesłanej w postaci binarnej użytkownikom systemu. REJESTRACJA SYGNAŁÓW, OBSŁUGA SYSTEMU BAZODANOWEGO ZEBRANYCH INFORMACJI W celu przeprowadzenia analiz statystycznych zarejestrowanych komunikatów systemu AIS zastosowano Availability ratio: the boundary value of a quantity defined as availability of navigational data, transmitted in binary form to a system s user. RECORDING SIGNALS, OPERATING DATABASE OF DATA COLLECTED The postprocessing method was used in order to conduct statistical analyses of AIS messages recorded. It consists in processing data after it is recorded. To record data required 54 4 (195)

55 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA metodę postprocessingu polegającą na późniejszym opracowaniu zebranych danych. Rejestracja danych wymagała przygotowania stanowiska badawczego składającego się z urządzenia odbiorczego AIS, transpondera, anteny, układu zasilania i rejestratora danych. Stanowisko rejestrujące sygnały AIS zostało przygotowane w Instytucie Nawigacji i Hydrografii Morskiej AMW. Na nośniku danych rejestratora sygnałów rejestrowano informacje z mnemonikiem AIVDM. Do analizy danych wykorzystano wiadomość z numerem 1. Zarejestrowane dane pochodzą z lat: i Dane zarejestrowane zostały w plikach tekstowych. making an investigation station consisting of an AIS receiver, AIS transponder, AIS antenna, power supply system, and data recorder. The station for recording AIS signals was prepared in the Institute of Navigation and Hydrography, at the Gdynia Naval Academy. The data was recorded on the data carrier of a signal recorder with mnemonic AIVDM. No 1 message was used to analyze the data. The data recorded date was for the years: and They were recorded in text files. Rys. 1. Stanowisko rejestracji sygnałów wraz z urządzeniem odbiorczym AIS SAAB R4 Fig. 1. Station for recording signals along with AIS SAAB R4 receiver 2013 (LIV) 55

56 Krzysztof Jaskólski Praca z zarejestrowanym sygnałem w postaci tekstowej w oparciu o metodę postprocessingu wymaga przygotowania odpowiedniego oprogramowania. To work with a signal recorded in text file form using the postprocessing method requires appropriate preparation of software. Rys. 2. Obsługa zapisanych danych AIS z wykorzystaniem oprogramowania IBExpert typu Client do zarządzania bazą danych Fig. 2. Use of AIS data recorded with software IBExpert, type Client to manage database 56 4 (195)

57 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Budowa narzędzia na potrzeby artykułu była zadaniem złożonym. AIS w transmisji wykorzystuje pakiety 6-bitowe. Jest to związane z wykorzystaniem ograniczonej liczby znaków w systemie i zmniejszeniem objętości transmitowanych paczek danych. Tak zarejestrowane dane muszą zostać zamienione na postać dziesiętną lub tekstową. Standard IEC [4] dostarcza informacji na temat sposobu kodowania binarnych pakietów danych. Dokumentami pomocniczymi w dekodowaniu danych binarnych AIS są ITU-R.M 1371 [1] i IEC ed.1 [5]. WSTĘPNE ZAŁOŻENIA DO BADAŃ DOSTĘPNOŚCI INFORMACJI SYSTEMU AIS Jeśli proces przekazywania informacji skutkujący dostarczeniem użytkownikowi kompletnej informacji w dowolnym momencie jest procesem niezawodnym, to proces przekazywania informacji możemy uznać za funkcjonowanie kanału informacyjnego i badać go metodami znanymi z teorii niezawodności, tak jak w [2, 6, 10, 11]. W związku z tym do badania dostępności zaproponowano model oparty na teorii markowskich procesów eksploatacji obiektów technicznych. Łańcuch Markowa charakteryzuje się tym, że stan procesu w chwili n + 1 zależy wyłącznie od stanu w chwili n, To develop a tool for the purpose of this paper was a complex task. AIS uses 6-bit packages for transmission. This is connected by the use of a limited number of signs in the system and decrease in the volumes of the packages transmitted. Data recorded this way has to be transformed into a decimal or a text form. Standard IEC [4] provides data on how to code binar data packages. Documents which help decode AIS binar data are ITU-R.M 1371 [1], IEC ed.1 [5]. INITIAL ASSUMPTIONS RELATED TO AIS DATA AVAILABILITY If a process of data transfer, resulting in providing a user with complete data at any moment, is a reliable process it can be viewed as a functioning of an information channel and can be investigated with methods included in the theory of reliability as in [2, 6, 10, 11]. In connection with the above a model based on the Theory of the Markov Processes related to Operating Technical Objects was proposed. The characteristic of Markov Chain is that the process state at the moment n + 1 depends exclusively on the moment state n and does not depend on states at previous moments [3]. Based on this assumption a stochastic probability matrix of transitions between availability states of AIS for incoming data with disregard to the 2013 (LIV) 57

58 Krzysztof Jaskólski a nie zależy od stanów w chwilach wcześniejszych [3]. Przy takim założeniu wyznaczono macierz stochastyczną prawdopodobieństwa przejść między stanami dostępności systemu AIS dla napływającej informacji bez uwzględnienia źródła informacji kryterium wiersze i kryterium statki, co pozwala wydzielić źródło niedostępnej informacji. Macierz stochastyczna prezentuje intensywność przejść między stanami. Analizy przeprowadzono w odniesieniu do całości informacji zaimportowanej do bazy danych, przyjmując jako kryterium poszczególne wiersze zapisane w tablicy (kryterium wiersze), a także kryterium statki, co oznacza rozpoznawanie zapisów do numeru MMSI (Maritime Mobile Service Identity) identyfikującego jednostkę pływającą. Należy zwrócić uwagę, że statki nadają swoje depesze z różną częstotliwością, co oznacza, że zależnie od przyjętego kryterium można oczekiwać różnych wyników analiz statystycznych. Kontynuując, przyjęto, że kryterium wiersze odnosić się będzie do liczby wierszy z mnemonikiem AIVDM z dostępną informacją dotyczącą pozycji geograficznej, natomiast kryterium statki do liczby statków odpowiadających za stan tej informacji. source of data criterion lines and criterion ships were determined, which makes it possible to identify the source of unavailable data. Stochastic matrix presents intensity of transitions between states. The analyses were conducted in relation to the whole data imported to the database taking as a criterion the particulaer lines written on the board (criterion lines) as well as the criterion ships, which means identifying recordings with an MMSI number (Maritime Mobile Service Identiry) showing the identity of a vessel afloat. It should be noted that, for various reasons, ships send their messages using various frequencies, which means that depending on the criterion adopted, various results of the statistical analysis can be expected. Furthermore, a decision was made that the criterion lines would be referred to as the number of lines with mnemonic AIVDM with available data related to geographical position, whereas criterion ships would refer to the number of ships responsible for the state of this data (195)

59 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA STATYSTYCZNE ZESTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ DOSTĘPNOŚCI INFORMACJI DOTYCZĄCEJ POZYCJI GEOGRAFICZNEJ Badanie informacji dotyczącej pozycji geograficznej przeprowadzono na podstawie komunikatów zarejestrowanych w plikach tekstowych zawierających komunikaty odebrane za pośrednictwem AIS o statkach znajdujących się w rejonie Zatoki Gdańskiej w przedziale od r. do r. (wybrane 54 tygodnie 378 dni). Wstępne wyniki badań w postaci wykresów współczynnika dostępności informacji o pozycji geograficznej przedstawiono poniżej. STATISTICAL PRESENTATION OF INVESTIGATION RESULTS OF DATA AVAILABILITY AS RELATED TO GEOGRAPHICAL POSITION The investigation of the data relating to geographical position was based on messages recorded in text files containing messages received through AIS about vessels being in the area of the Bay of Gdańsk from 4 April, 2006 to 8 January, 2012 (selected 54 weeks 378 days). The initial investigation results in the form of a diagram of data availability ratio related to geographical position is presented below. współczynnik dostępności informacji AIS: pozycja geograficzna availability coefficient of AIS data: geographic position 53 sesje pomiarowe, kryterium"statki" i kryterium "wiersze" 53 study attempts, criterion of "ships" & criterion of "lines" pozycja geograficzna, kryterium "wiersze" (geographic position, criterion of "lines") pozycja geograficzna, kryterium "statki" (geographic position, criterion of "ships") współczynnik dostępności A(t1, t2) availability coefficient A(t1, t2) 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0, / / / / / / / / / / / / / /01 Rys. 3. Wykres zmian współczynnika dostępności informacji dotyczącej pozycji geograficznej: linia ciągła kryterium wiersze, przerywana kryterium statki Fig. 3. Diagram of changes in data availability ratio related to geographical position: line continuous criterion lines, dotted criterrion ships 2013 (LIV) 59 t

60 Krzysztof Jaskólski Na podstawie analizy statystycznej, w oparciu o 24-godzinny rozkład wyników badań za każde siedem dni (tydzień) przedstawiono wyniki dostępności informacji o pozycji geograficznej, ich wartości minimalne, maksymalne i odchylenia standardowe. A statstical analysis, based on 24-hour distribution of investigation results for each 7 days (week) was conducted to present the results of data availability related to geographical position, their mnimum and maximum values, and standard deviations. Tabela 2. Analiza statystyczna wyników badań za każdy tydzień w oparciu o 24-godzinne przedstawienie wyników kompletności informacji dotyczącej pozycji geograficznej Table 2. Statistical analysis of the investigation results for each week, based on a 24-hour presentation of the results of the data complete related to geographical position Pozycja geograficzna Geographical position Kryterium wiersze Criterion lines Kryterium statki Criterion ships DATA A(t1, t2) δ A(t1, t2)max A(t1, t2)min A(t1, t2) δ A(t1, t2)max A(t1, t2)min /09 0,9969 0,0016 0,9993 0,9938 0,9316 0,0199 0,9710 0, /23 0,9795 0,0029 0,9831 0,9752 0,9343 0,0075 0,9450 0, /30 0,9918 0, ,9837 0,9774 0, , /12 0,9896 0,0115 0,9999 0,9741 0,9559 0,0239 0,9894 0, /19 0,9960 0, ,9741 0,9828 0, , /26 0,9988 0, ,9963 0,9592 0,0338 1,0000 0, /03 0,9953 0,0040 0,9996 0,9905 0,9190 0,0140 0,9354 0, /07 0,9998 0,0008 0,9996 0,9985 0,9767 0, , /14 0,9999 0, ,9978 0, , / /18 0,9999 0, ,9999 0,9976 0, , /25 0,9999 0, ,9999 0,9977 0, , / / Wartość oczekiwana: Expected value: 0,9986 0,0011 0,9996 0,8649 0,9867 0,0074 0,9953 0,9765 A(t1, t2) dostępność informacji w zdefiniowanym przedziale czasu, δ odchylenie standardowe, A(t1, t2)max wartość maksymalna dostępności w zdefiniowanym przedziale czasu, A(t1, t2)min wartość minimalna dostępności w zdefiniowanym przedziale czasu. (A(t1, t2) data availability in the defined time interval, δ standard deviation, A(t1, t2)max maximum availability value in the defined time interval, A(t1, t2)min minimum availability value in the defined time interval (195)

61 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA A.exp(t) Funkcja rozkładu wykładniczego A.exp(t), dostępność informacji AIS: pozycja geograficzna, kryterium "wiersze" λ=0,001 Cumulative Distribution Function A.exp(t), AIS Availability data: geographic position, criterion of "lines" λ=0, sesje pomiarowe (tygodnie) 53 study attempts (weeks) 1,002 1,000 0,998 0,996 0,994 0,992 0,990 0,988 0,986 0,984 0,982 0,980 0, t [tygodnie] [weeks] A.exp(t) 1,01 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 kryterium "statki" λ=0,01 criterion of "ships" λ=0, t [tygodnie] [weeks] Rys. 4. Rozkład wykładniczy dostępności A.exp(t) danych AIS: pozycja geograficzna, u góry kryterium wiersze, na dole kryterium statki (λ intensywność uszkodzeń, A.exp(t) wykładnicza postać współczynnika dostępności informacji AIS) Fig. 4. Exponential distribution of AIS data availability A.exp(t): geographical position, top criterion lines, bottom criterion ships (λ damage intensity, A.exp(t) exponential form of AIS data availability ratio) METODYKA BADANIA DOSTĘPNOŚCI INFORMACJI AIS Zmieniający się w czasie stan dostępności informacji systemu jest wielkością, która może być opisana za pomocą procesów stochastycznych. W związku z powyższym opracowano metodykę badania dostępności informacji AIS, wykorzystując w tym celu łańcuchy Markowa. METHODOLOGY USED TO INVESTIGATE AIS DATA AVAILABILITY Data availability state changing in time is a quantity that can be described with stochastic processes. For this reason Markov Chains were used to develop the methodology to investigate AIS data availability (LIV) 61

62 Krzysztof Jaskólski Z a ł o ż e n i a : Proces stochastyczny oznaczono symbolem: A s s u m p t i o n s : The stochastic process was designated with the symbol: :. (1) Specjalnym przypadkiem procesu stochastycznego jest ciąg zdarzeń losowych : 0,1,2,3,, nazywany łańcuchem losowym. Wartości zmiennych losowych : 0,1,2,3,,53 reprezentują stan dostępności informacji AIS. Charakter zmian stanów można przyjmować jako łańcuch Markowa w zbiorze stanów: A special case of the stochastic process is a chain of random occurrences : 0,1,2,3,, referred to as random chain. Values of random variables : 0,1,2,3,,53 represent the AIS data availability state. The character of state changes can be regarded as a Markov Chain in the set of states:,, (2) gdzie: where: S 1 (stan 1) oznacza, że informacja jest niedostępna; system jest w stanie niezdatności / (state 1) means that the data is unavailable; the system is in the state of uselessness; S 2 (stan 2) oznacza, że informacja jest dostępna; system jest w stanie zdatności / (state 2) means that the data is available; the system is in the state of usefulness. Momenty przebywania systemu w stanie awarii są momentami odnowy struktury nawigacyjnej. Zgodnie z założeniami łańcuch Markowa (Markov chain) charakteryzuje się tym, że stan procesu w chwili n + 1 zależy wyłącznie od stanu w chwili n, a nie zależy od stanów w chwilach wcześniejszych [3]. Moments when the system is in a state of failure are moments of the reconditioning of navigational structure. According to the assumptions the characteristic of Markov Chain is that the process state at the moment n + 1 depends exclusively on the moment state n, and it does not depend on the state in previous moments [3] (195)

63 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Łańcuch Markowa można zdefiniować, jeżeli rozkład początkowy Markov chain can be defined, if the initial distribution, (3) oraz macierz prawdopodobieństw przejść and matrix of transition probabilities :, ; (4)!, 0,1,2,3,,53 (5) jest znana. Wówczas macierz stochastyczna wyznacza prawdopodobieństwo przejścia między stanami dostępności informacji AIS. Macierz stochastyczna prezentuje intensywność przejść między stanami. Kontynuując, p ij oznacza prawdopodobieństwo przejścia ze stanu i S do stanu j S w chwili n + 1. W naszym przypadku macierz przyjmuje postać: is known. Then, the stochastic matrix determines transition probabilities between AIS data availability states. The matrix presents the transition intensity between the states. Further, p ij designates the probability of transition from the state i S the state j S at the moment n + 1. In our case the matrix takes the form: p # p p p %, (6) gdzie: where: p ij prawdopodobieństwo przejścia ze stanu i do stanu j / probability of transition from the i to the state j. Ponadto do badań przyjęto rozkład początkowy p(0)=[0, 1]. Oznacza to, że system znajduje się w stanie pracy S 2. In addition, for the purposes of the investigation the initial distribution p(0)=[0, 1] was adopted. This means that the system is in the work state S (LIV) 63

64 Krzysztof Jaskólski Macierz prawdopodobieństw przejść wyznaczamy na podstawie procesu intensywności przejść między stanami. Prawdopodobieństwa graniczne wyznaczono z zależności: The process of transition intensity is used to determine the matrix of transition probabilities between states. The boundary probability was determined from the dependence: lim * lim *! lim *! π. (7) Aby osiągnąć zamierzony cel, należy rozwiązać układ równań liniowych: In order to reach the intended goal it is necessary to solve the set of linear equations:, π π, (8) oraz and π 1,, (9) gdzie: where: π prawdopodobieństwo graniczne / boundary probability. Prawdopodobieństwa π,π wyznaczają rozkład stacjonarny jednorodnego łańcucha Markowa π π,π z macierzą prawdopodobieństw przejść: Probabilities π,π determine stationary distribution of homogenous Markov Chain π π,π with matrix of transition probabilities: :,. (10) Prawdopodobieństwo graniczne obliczamy, rozwiązując układ równań na podstawie iloczynu macierzy: The boundary probability is calculated through solving a set of equations based on the matrix product: π π # % π, π. (11) 64 4 (195)

65 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA W związku z powyższym otrzymamy układ równań liniowych: Therefore a set of linear equations will be obtained:. /.. -. /... (12). /. 1 Po rozwiązaniu układu równań otrzymamy prawdopodobieństwa graniczne π 1, π 2. ZASTOSOWANIE METODYKI BADAŃ DOSTĘPNOŚCI INFORMACJI AIS Niech wartości zmiennych losowych : 0,1,2,3,,53 będą reprezentowały stan dostępności informacji o pozycji geograficznej statku. Charakter zmian stanów określono w zbiorze,, gdzie: S 1 oznacza, że szerokość geograficzna przyjmuje wartość 91 lub długość geograficzna przyjmuje wartość 181 oraz graniczna wartość dostępności badanej zmiennej danej populacji przyjmuje wartość (0; 0,95); informacja jest w stanie niezdatności; S 2 oznacza, że szerokość geograficzna przyjmuje wartości z zakresu ( 90; 90) oraz długość geograficzna przyjmuje wartość z zakresu ( 180; 180), a graniczna wartość kompletności informacji badanej zmiennej danej populacji przyjmuje wartość (0,95; 1); informacja jest w stanie zdatności. On solving the set of equations the boundary probability π 1, π 2 will be obtained. USE OF THE METHODOLOGY TO INVESTIGATE AIS DATA AVAILABILITY Let the values of random variables : 0,1,2,3,,53 represent the state of data information availability related to the ship s geographical position. The character of transition changes was determined in the set,, where: S 1 means that the geographical latitude takes value 91 or the geographical longitude takes value 181 and the boundary availability value of a population variable investigated takes value (0; 0,95); this means that the data is in a state of uselessness. S 2 means that the geographical latitude takes values ( 90; 90) and the geographical longitude takes values ( 180; 180), and the boundary value of data completeness of a population variable investigated takes the value (0,95; 1). This means that the data is in the state of usefulness (LIV) 65

66 Krzysztof Jaskólski Do badań przyjęto rozkład początkowy p(0) = [1 0]. Oznacza to, że system znajduje się w stanie awarii S 1. Macierz prawdopodobieństw przejść wyznaczamy na podstawie procesu intensywności przejść między stanami, toteż zgodnie z zależnościami (5) i (6) macierz prawdopodobieństw przejść w łańcuchu Markowa przyjmuje postać: For the purpose of the investigation the initial distribution p(0) = [1 0] was adopted. This means that the system is in the state of failure S 1. The intensity of transition between the states is used to determine the matrix of transition probability. Therefore following the dependence (5) and (6) the matrix of transition probability in Markov Chain took the form: Kryterium wiersze Criterion lines Kryterium statki Criterion chips # % 0 0,5 0,5 0,0426 0, Szczegółowy rozkład przejść systemu do kolejnych stanów dostępności informacji przedstawiają tabela 3. i rysunek 5. W efekcie kwantowania przydzielono każdemu wynikowi dostępności badanej zmiennej wartość binarną odpowiadającą numerowi stanu systemu. Table 3 and figure 5 present the detailed distribution of transitions into the particular states of system data availability. As a result of quantization each variable availability investigated was assigned a binary value corresponding to the number of the state. Tabela 3. Rozkład przejść systemu do poszczególnych stanów dostępności informacji o pozycji geograficznej statku Table 3. Distribution of system transitions into particular states of data availability related to ship s geographical position pij Kryterium wiersze Criterion lines Intensywność przejść między stanami Intensity of transition between states pij Intensywność przejść między stanami Intensity of transition between states Kryterium statki Criterion ships Intensywność przejść między stanami Intensity of transition between states Intensywność przejść między stanami Intensity of transition between states p11 0 p21 0 p11 3 p21 2 p12 1 p22 52 p12 3 p22 45 pij pij 66 4 (195)

67 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Wykres intensywności przejść między stanami, zmienna: pozycja geograficzna, kryterium "wiersze" Graph of the transitions intensity between states, geographic position, criterion of "lines" 53 sesje pomiarowe (tygodnie) 53 study attempts (weeks) 2 S(n); n [1, 2] S(n) n[1, 2] 2 1 kryterium "statki" criterion of "ships" numer sesji pomiarowej number of series Rys. 5. Wykres intensywności przejść między poszczególnymi stanami dostępności informacji dotyczącej pozycji: u góry kryterium wiersze, na dole kryterium statki Fig. 5. Diagram of intensity of transitions between particular states of data availability related to geographical position: top criterion lines, bottom criterion ships Po rozwiązaniu układu równań (12), otrzymano prawdopodobieństwa graniczne π 1, π 2. On solving the set of equations (12) boundary probabilities π 1, π 2 were obtained. Kryterium wiersze Criterion lines Kryterium statki Criterion ships π 1 0 π 1 π π Dla kryterium wiersze prawdopodobieństwo przebywania systemu w stanie pracy S 2 wynosi 1, a w stanie awarii S 1 jest równe 0. Dla kryterium statki prawdopodobieństwo przebywania systemu w stanie pracy S 2 wynosi 0,9216, a w stanie awarii Thus, for the criterion lines the probability for the system to be in the work state S 2 is 1, and in the failure state S 1 the probability is 0. For the criterion ships the probability for the system to be in the state work S 2 is 0,9216, and in the failure state S (LIV) 67

68 Krzysztof Jaskólski S 1 jest równe 0,0784. Różnice w wynikach współczynników dostępności pochodzących z poszczególnych serii pomiarowych mieszczą się w przedziale (0; 0,0763). the probability is 0,0784. The differences in availability ratios coming from the particular measurement series fall into the range (0; 0,0763). ships lines Rys. 6. Rozkład prawdopodobieństw granicznych kompletności informacji dotyczącej pozycji geograficznej statku: kryterium statki i kryterium wiersze Fig. 6. Distribution of boundary probabilities of data completeness related to ship s geographical position: criterion ships and criterion lines Jeżeli rozkład początkowy p(0) przyjmuje postać Further, if the initial distribution p(0) takes the form 0 0 1, to macierz prawdopodobieństw przejścia po n krokach przyjmuje postać the matrix of transition probability after n steps takes the form 0,, (13) natomiast rozkład prawdopodobieństwa stanów procesu w chwili t przyjmuje postać Whereas the distribution of process state probabilities at the moment t takes the form 0 0,. (14) 68 4 (195)

69 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Wyniki estymacji macierzy prawdopodobieństw po n krokach oraz rozkładu prawdopodobieństwa stanów procesu w chwili t przedstawiono w tabeli 4. The estimation results of matrix probabilities following n steps and distribution of process state probability at the moment t is presented in table 4. Tabela 4. Macierze prawdopodobieństw przejścia oraz rozkład prawdopodobieństw stanów informacji dotyczącej pozycji geograficznej Table 4. Matrixes of transition probabilities and distribution of data states related to geographical position n Kryterium wiersze Criterion lines 0, 0 0, Kryterium statki Criterion ships 0, 0 0, # 0 1 % ,7287 #0,2713 % 0,0620 0, ,9380 0,1664 0,8333 # % 0,0709 0, ,9291 0,1188 0,8812 # % 0,0750 0, ,9250 0,0969 0,9031 # % 0,0709 0, ,9231 0,0869 0,9131 # % 0,0777 0, ,9223 0,0823 0,9177 # % 0,0781 0, ,9219 0,0802 0,9198 # % 0,0783 0, ,9217 0,0792 0,9208 # % 0,0784 0, ,9216 0,0788 0,9212 # % 0,0784 0, ,9216 0,0786 0,9214 # % 0,0784 0, ,9216 0,0785 0, ,0784 0,9216 0,0784 0,9216 0,0785 0, ,0784 0,9216 0,0784 0,9216 0,0784 0,9216 # % 0,0784 0,9216 0,0784 0,9216 Dokonując analizy predykcji stanu informacji systemu, stwierdzono, że rozkład stabilizuje się już po drugim On conducting the analysis of the system s data state it was found that the distribution stabilized as early as after 2013 (LIV) 69

70 Krzysztof Jaskólski kroku dla kryterium wiersze i po czternastym kroku dla kryterium statki. Należy zauważyć, że wraz ze wzrostem czasu (liczby kroków) elementy macierzy P(0, n) znajdujące się w tych samych kolumnach coraz mniej się od siebie różnią. Gdy n, różnica ta dąży do 0. Ze wzoru (14) wynika, że w miarę wzrostu n rozkład p(n) stabilizuje się. Na podstawie danych zawartych w tabeli 4. zaobserwowano stabilizację rozkładu dla n = 14. Własności te są istotnymi właściwościami pewnej klasy łańcuchów Markowa. WNIOSKI W artykule zaprezentowano wyniki badań dostępności informacji AIS, stosując dwa podejścia badawcze, tj. kryterium wiersze i kryterium statki. Wyznaczenie granicznych wartości dostępności informacji systemu AIS miało na celu określenie stopnia przydatności informacji AIS dotyczącej pozycji geograficznej w zastosowaniach antykolizyjnych. Wartości współczynników kompletności kształtujące się na poziomie 0,9986 dla kryterium wiersze oraz 0,9867 dla kryterium statki potwierdzają te możliwości. Stan zdatności dla kryterium wiersze został zaobserwowany w 52 przypadkach, a dla kryterium statki w 47 przypadkach na 53 przeprowadzone sesje pomiarowe, co również może two steps for the criterion lines and after the 14th step for the criterion ships. It should be noted that with the rise in time (number of steps), the elements of matrix P(0, n) which are in the same columns differ from each other less and less. When n the difference tends to 0. From the formula (14) follows that with the rise in n the distribution p(n) stabilizes. On analyzing the data included in the table it was found out that the distribution stabilized for n = 14. These properties are significant properties of a certain class of Markov chains. CONCLUSIONS This paper presents the results of investigations into AIS data availability. The investigations were based on two investigation approaches, i.e. criterion lines and criterion ships. Boundary values of AIS data availability were determined in order to determine the usefulness degree of AIS data related to geografical position with regard to collision avoidance applications. The values of completeness ratios for criterion lines and for criterion ships prove such application possibilities. The state of usefulness for the criterion lines was observed in 52 cases for the criterion lines and in 47 cases for the criterion ships in 53 measurement sessions, which can 70 4 (195)

71 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA świadczyć o wysokim stopniu przydatności informacji dotyczącej pozycji statków pozyskanej za pośrednictwem urządzeń AIS w aplikacjach antykolizyjnych. Podczas przeprowadzonych badań zaobserwowano, że kryterium wiersze daje wyższe wyniki badań dostępności informacji o pozycji statku. Odnosząc się do liczby statków charakteryzujących się brakiem dostępności informacji o pozycji, łatwo zaobserwować pogorszenie wyników badań. Liczba statków transmitujących niekompletne komunikaty nie jest tożsama z liczbą niekompletnych komunikatów. Różnica ta wynika z liczebności populacji statków i wierszy spełniających warunek dostępności informacji, a także z interwału czasowego transmitowanych danych przez pokładowe urządzenia AIS, który przyjmuje wartości z zakresu od 2 do 180 sekund. Kryterium statki wydaje się być bardziej obiektywnym podejściem badawczym w stosunku do kryterium wiersze. W tym przypadku graniczna wartość dostępności informacji wyznaczona została na podstawie czasu przebywania informacji w stanie awarii i w stanie pracy AIS dla danego statku. W badaniach pominięto interwał czasowy nadawach wiadomości ze statków oraz charakterystyki dokładności informacji pochodzącej z sensorów GNSS. point to the high level of data usefulness with regard to ships positions fixed with AIS devices in collision avoidance applications. During the investigations it was found that the criterion lines gives higher data availability results related to a ship s position. While refering to the number of ships characterized by the absence of position-related data availability it is easy to notice the deterioration of the results. The number of ships transmitting incomplete messages is not the same as the number of incomplete messages. The difference results from the number of ship population and lines satisfying the condition of data availability, as well as from the time interval related to data transmitted by shipboard AIS devices, which ranges from 2 to 180 seconds. Criterion ships seems to be the most objective investigation approach in relation to criterion lines. In this case determination of the boundary value of data availability was based on the time spent by the message in the state of failure and the state of AIS work. The time interval of messages transmitted from ships and the characteristics of data accuracy sensors were not included in the investigations (LIV) 71

72 Krzysztof Jaskólski BIBLIOGRAFIA / REFERENCES [1] Draft Revision of Recommendation ITU-R.M Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in VHF maritime mobile band, Radiocommunication study Groups, Interenational Telecomuniction Union, [2] Felski A., Jakubowski B., Niezawodność systemu nawigacyjnego w kontekście przetwarzania informacji, Zeszyty Naukowe AMW, 2004, No 1 (Reliability of a navigational system in relation to data processing available only in Polish). [3] Grabski F., Jaźwiński J., Funkcje o losowych argumentach w zagadnieniach niezawodności, bezpieczeństwa i logistyki, WKiŁ, Warszawa 2009 (Random argument functions in issues relating to reliability, security and logistics available only in Polish). [4] IEC ed.2: Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems digital interfaces, Part 1: Single talker and multiple listeners, International Electrotechnical Commission, [5] IEC ed. 1 Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems automatic identification systems, Part 2: Class A shipborne equipment of the universal automatic identification system (AIS) operational and performance requirements, methods of test and required test results, International Electrotechnical Commission, [6] Jakubowski B., Niezawodnościowe aspekty przetwarzania informacji w zintegrowanym systemie nawigacyjnym (rozprawa doktorska / dissertation), AMW, Gdynia 2005 (Reliability-based aspects of data processing in an integrated navigational system available only in Polish). [7] Jaskólski K., Model wiarygodności i dostępności informacji pozyskiwanej za pośrednictwem systemu AIS (rozprawa doktorska / dissertation), AMW, Gdynia 2013 (Reliability and availability model of data acquired by means of AIS available only in Polish). [8] Pietrzykowski Z., Magaj J., The problem of route determination in ship movement in a restricted area, Annual of Navigation, 2012, No 19, Part 2, Gdynia [9] Pietrzykowski Z., Fuzzy Control in Solving collision Situation at Sea. Computational Intelligence Methods and Applications, EXIT, Warszawa [10] Specht C., Availability, reliability and continuity of differential GPS transmission, Annual of Navigation, 2003, No 5, Gdynia [11] Specht C., Nowak A., Reliability characteristics of the position solution statistics in the DGPS system, European Navigation Conference GNSS 2005, Monachium (195)

73 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY 2013 (LIV) 4 (195) Tomasz Kulik 1), Mirosław Adamski 1), Krzysztof Ogonowski 1) Leszek Cwojdziński 2) WYKORZYSTANIE ŚMIGŁOWCÓW W KIEROWANIU MORSKIMI OPERACJAMI POSZUKIWAWCZO-RATOWNICZYMI USE OF HELICOPTERS IN CONTROL OF MARITIME SEARCH AND RESCUE OPERATION STRESZCZENIE W artykule przedstawione są zasadnicze zadania związane z wykorzystaniem śmigłowców w czasie prowadzenia operacji poszukiwawczo- -ratowniczych oraz sposób prowadzenia operacji SAR przez wydzielony środek powietrzny marynarki wojennej. Słowa kluczowe: śmigłowiec ratowniczy, operacja poszukiwawczo-ratownicza, lotnictwo morskie. ABSTRACT This paper presents the main missions carried out by helicopters in Search and Rescue operations and the way an SAR mission is conducted (Search and Rescue) by a dedicated navy aircraft. Keywords: SAR helicopter, search and rescue operation, naval aviation. DOI: / X/ ) Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych, Wydział Lotnictwa, Dęblin, ul. Dywizjonu 303/35, lotnik-tom@wp.pl; tetrazen@wp.pl; ogonk@o2.pl 2) Departament Polityki Zbrojeniowej MON, Warszawa, al. Niepodległości 218, samolot22l@wp.pl 73

74 Tomasz Kulik, Mirosław Adamski, Krzysztof Ogonowski, Leszek Cwojdziński WSTĘP W prawie każdej armii na świecie śmigłowce uznawane są za nieodzowny środek walki, chociaż nie osiągają naddźwiękowych prędkości i nie mają nawet zbliżonego do samolotu zasięgu. Charakteryzują się za to wieloma innymi zaletami, jak nowoczesne i skuteczne uzbrojenie, duża rozpiętość prędkości lotu (od 0 km/h do około 240 km/h) czy brak konieczności lądowania na lotnisku. Właśnie one stworzyły ze śmigłowca jeden z najefektywniejszych środków bojowych stosowany przeciwko wojskom pancernym i zmechanizowanym. Dodatkowo dzięki swoim własnościom, takim jak duża manewrowość, szybka reakcja oraz możliwość prowadzenia działań w różnych warunkach atmosferycznych bez względu na porę doby, zdecydowano o ich użyciu również w warunkach morskich. ZASTOSOWANIE ŚMIGŁOWCÓW W SIŁACH MORSKICH Śmigłowce w lotnictwie morskim wielu państw znalazły się niemal w tym samym czasie co w siłach lądowych. Początkowo wykorzystywano je do rozpoznania i ratownictwa morskiego. Następnie, w wyniku postępu technologicznego oraz wprowadzenia na ich pokład uzbrojenia i elektroniki, skalę zadań rozszerzono, co pozwoliło na ich wykorzystanie między innymi do: INTRODUCTION In almost all the armed forces in the world, helicopters are recognized as an indispensible means of combat, despite the fact that they cannot reach supersonic speeds or offer the same operational ranges as fixed-wing aircraft. However, they do have a lot of other advantages such as modern and effective weapons systems, substantial range of flying speed, starting from 0 kph to around 240 kph and absence of necessity to land on an airfield. It is these properties that have turned the helicopter into one of the most effective means of combat employed against armored or mechanized troops. Additionally, owing to such properties as high maneuverability, fast reaction time and the capability of conducting combat missions under a variety of weather conditions with disregard to time of day or night including maritime conditions. USE OF HELICOPTERS IN NAVIES Helicopters have been in use in navies for many years. They were introduced into service in naval aviation in several countries almost at the same time as in land forces. At the beginning they were used to conduct reconnaissance and rescue missions. Then, as a result of technological progress and installing weapons system and electronics on board, the range 74 4 (195)

75 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA zwalczania okrętów podwodnych (ZOP); wsparcia desantów; niszczenia okrętów nawodnych (ASV); naprowadzania pocisków rakietowych poza horyzontem optycznym (OTH); patroli morskich; operacji poszukiwawczo-ratowniczych (SAR); trałowania min; wczesnego ostrzegania z powietrza (AEW); wsparcia ognia artylerii morskiej (NGS); wsparcia środkami elektronicznymi (ESM) i stawiania zasłon [6]. Sam sposób przeprowadzenia tych misji w dużym stopniu uzależniony jest od zastosowanego wyposażenia oraz możliwości taktyczno-technicznych określonego typu śmigłowca. WYKORZYSTANIE ŚMIGŁOWCÓW W DZIAŁANIACH BOJOWEGO POSZUKIWANIA I RATOWNICTWA Początkowo niemal jedynym zadaniem, które mógł wykonywać śmigłowiec, były funkcje poszukiwawczo- -ratownicze. W latach dwudziestych założyciel firmy Sikorsky powiedział: Jeśli człowiek potrzebuje ratunku, samolot może najwyżej przylecieć i zrzucić mu wiązankę kwiatów. Ale wznoszący się pionowo śmigłowiec może uratować mu życie [4]. of missions extended, which has led to using them, among others, in: Anti-Submarine Warfare (ASW); support of landing operations; Anti-Surface Warfare (ASUW); Over The Horizon Targeting (OTHT); maritime patrols; SAR operations; mine clearing; Airborne Early Warning (AEW); Naval Gunfire Support (NGS); Electronic Support Measures ESM and setting screens [6]. The ways the missions are carried out will depend, to a large extent, on the equipment installed on board and technical-tactical capabilities of an aircraft employed. Undoubtedly, it is worthy of note that they can save human lives. USE OF HELICOPTERS IN COMBAT SEARCH AND RESCUE OPERATIONS In the early years of helicopter use search missions were almost the only missions they were capable of carrying out. As early as in 1920s the Sikorsky company made attempts at developing a helicopter useful for humanity. Citing its founder, it can be said that: If a man needs rescue, a plane can just fly and drop a bunch of flowers. But a helicopter s ability to maneuver vertically can help save his life [4] (LIV) 75

76 Tomasz Kulik, Mirosław Adamski, Krzysztof Ogonowski, Leszek Cwojdziński Bojowe poszukiwanie i ratownictwo to całokształt przedsięwzięć obejmujących: wykrycie, lokalizację, identyfikację i ratowanie załóg lotniczych (załóg statków powietrznych) na terytorium zajętym przez przeciwnika bądź potencjalnie nieprzyjaznym podczas kryzysu lub w czasie wojny, a także ratowanie innego odizolowanego personelu, wyposażonego i wyszkolonego [3]. Istotą bojowego poszukiwania i ratownictwa jest utrzymywanie zdolności do odzyskiwania personelu latającego lotnictwa bojowego oraz innych osób z terenu zajętego przez przeciwnika. Ma to istotny wpływ na potencjał bojowy sił powietrznych. Zestrzelona, ale odzyskana z terytorium przeciwnika załoga, może nie tylko ponownie wziąć udział w działaniach bojowych, ale również dostarczyć istotnych informacji o wrogu. Świadomość akcji ratowniczej daje ludziom duże poczucie bezpieczeństwa i zapewnia wysokie morale, a w konsekwencji większą efektywność działań. Co więcej, odzyskanie zestrzelonego personelu latającego uniemożliwia przeciwnikowi wykorzystanie go na przykład w celach propagandowych. Decyzja o rozpoczęciu misji CSAR (Combat Search and Rescue bojowe poszukiwanie i ratownictwo) może być podjęta tylko po gruntownej Combat search and rescue as a whole involves detecting, locating, identifying and rescuing aircraft crews (crews of airplanes) in territory occupied by an enemy or being potentially unfriendly during a crisis or war. It also involves rescuing other cut off,equipped and trained, personnel [3]. The essence of combat search and rescue is to maintain the capability of recovering flying personnel of combat aviation as well as other people from a territory occupied by an enemy or potentially unfriendly forces. This has a significant effect on the combat potential of an air force. Flying personnel shot down but recovered from enemy s territory can not only take part in combat operations but also provide significant information regarding the enemy. This knowledge gives a big sense of security and ensures the high morale of the flight personnel, and as a result higher effectiveness of operations. Moreover, recovering downed personnel prevents the enemy from using them for propaganda purposes or as a source of information. A decision to commence a CSAR (Combat Search and Rescue) mission can be made only after a thorough risk analysis conducted by the commander of joint forces. The aim of this analysis is to assess probability of 76 4 (195)

77 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA analizie ryzyka przeprowadzonej przez dowódcę połączonych sił. Celem tej analizy jest ocena prawdopodobieństwa powodzenia misji na podstawie takich czynników, jak środowisko, rozpoznanie, ocena zagrożeń, czas czy status sił. Aby ułatwić podjęcie właściwej decyzji, zostały określone następujące poziomy zagrożeń: niski, występujący wówczas, gdy: panowanie w powietrzu jest utrzymane przez wojska własne i sprzymierzone; środki obrony powietrznej są wysoko rozproszone, wliczając dostrzegalną wzrokowo artylerię przeciwlotniczą i PPZR (przenośne przeciwlotnicze zestawy rakietowe); zagrożenie naziemne jest ograniczone do odizolowanych małych wrogich elementów wyposażonych w broń ręczną (strzelecką); zagrożenie morskie nie istnieje lub ma niewielkie znaczenie; średni, występujący wówczas, gdy: przeciwnik ma w nieznacznym stopniu zorganizowany system OPL zawierający artylerię przeciwlotniczą oraz przenośne przeciwlotnicze zestawy rakietowe; panowanie w powietrzu jest ogólnie zakwestionowane, ale lokalnie zachowane; zagrożenia lądowe stanowią dobrze zorganizowane i uzbrojone grupy oraz pododdziały przeciwnika rozproszone po obszarze działań; ma miejsce niewielkie zagrożenie morskie, które może mieć znaczenie; mission success. It is based on factors such as environment, reconnaissance, risk assessment, time, and force status. In order to make the right decision with view to the justification of the action the following threat levels have been worked out: low, occures when: air supremacy is maintained by own and allied forces; means of air defense are highly dispersed, including visually noticeable anti-aircraft artillery and portable anti-aircraft missile launchers; on-land threat is limited to isolated, small elements armed with small arms; maritime threat does not exist or is of negligible significance; middle, occurs when: enemy has an AA system organized in a small degree, which includes AA artillery and portable anti-aircraft missile launchers; air supremacy is generally denied but maintained locally; well organized and armed enemy groups which are dispersed over the area of operations and units pose on-land threats; there occurs a small maritime threat which can have some significance; high, occurs when: enemy has highly developed and organized AA system; enemy has air supremacy; land threats in the form of groups of troops capable of fast task execution; friendly attitude and possess organized communications 2013 (LIV) 77

78 Tomasz Kulik, Mirosław Adamski, Krzysztof Ogonowski, Leszek Cwojdziński wysoki, występujący wówczas, gdy: przeciwnik ma rozwinięty i wysoko zorganizowany system OPL; panowanie w powietrzu jest po stronie przeciwnika; występuje zagrożenie lądowe, które stanowią poważne skupiska wojskowych zdolne do szybkiego wykonania zadań; ludność cywilna jest wrogo nastawiona i dysponuje zorganizowaną łącznością z komponentem lądowym; ma miejsce zagrożenie morskie [2]. Można wnioskować, że do najtrudniejszych zadań, obarczonych pewnym poziomem zagrożenia wykorzystane zostaną śmigłowce. Ze względu na dużą manewrowość przy różnych zakresach prędkości oraz możliwość długiego przebywania w powietrzu (dzięki instalacji powietrznego tankowania) są one obecnie jednymi z najbardziej skutecznych środków zdolnych do prowadzenia działań bojowego poszukiwania i ratownictwa. Przy odpowiednim wykorzystaniu terenu załoga śmigłowca może maskować swoje działania, a także unikać wykrycia wzrokowego i przez środki elektroniczne przeciwnika. W akcjach bojowego poszukiwania i ratownictwa śmigłowce ratownicze mogą działać w dwóch podstawowych konfiguracjach taktycznych: a) pojedynczo (Single Ship Operations), głównie wtedy, gdy pożądane jest zachowanie skrytości with a land component; there occurs a maritime threat [2]. Thus a conclusion can be drawn that it is helicopters that will be assigned the most difficult missions characterized by a certain level of threat. Owing to their high maneuverability at different speeds and capability of long periods in the air due to airborne refueling, they are at present one of the most effective assets for conducting combat search and rescue missions. Owing to appropriate use of terrain features helicopter crews can camouflage their activities and avoid being detected both visually or by unfriendly electronic measures. To carry out combat search and rescue missions SAR helicopters can operate in two basic tactical configurations: a) Single Ship Operations, mainly when desired are: operating clandestinely, gaining surprise and taking advantage of difficult weather conditions or when at night it is required to camouflage the flight at extremely low altitudes; the basic form of a single helicopter defense is to remain undetected, which does not mean resigning from supporting services which have to be ready to provide comprehensive combat support to a single SAR helicopter; b) Multi Ship Operations, which through reciprocal support create 78 4 (195)

79 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA działania, uzyskanie zaskoczenia, wykorzystanie trudnych warunków atmosferycznych oraz w nocy do maskowania lotu na skrajnie małych wysokościach; podstawową formą obrony pojedynczego śmigłowca jest pozostawanie niewykrytym, nie oznacza to jednak rezygnacji z sił wsparcia, które muszą być przygotowane do wszechstronnego zabezpieczania działań śmigłowca ratowniczego; b) w grupie (Multi Ship Operations), która poprzez zapewnienie wzajemnego wsparcia umożliwia wykonanie zadania przez każdy pojedynczy śmigłowiec; wykorzystanie grupy śmigłowców ratowniczych daje większe możliwości dowodzenia i łączności, pozwala zwiększyć efektywność i elastyczność działań oraz umożliwia zwielokrotnienie liczby śmigłowców ratowniczych [7]. Decyzja o użyciu do misji CSAR grupy śmigłowców i określenie jej wielkości zależy między innymi od ukształtowania i pokrycia terenu poszukiwań, widzialności, charakterystyki taktyczno- -technicznej śmigłowców ratowniczych oraz wyszkolenia i doświadczenia załóg lotniczych. Przy ustalaniu sposobu wykonania powyższych zadań przez grupę śmigłowców ratowniczych uwzględnia się także możliwości wsparcia działań ratowniczych przez lotnictwo bojowe, zadania poszczególnych śmigłowców ratowniczych i zakres odpowiedzialności załóg. conditions to execute a mission by any single helicopter. Use of a group of SAR helicopters offers higher possibilities related to command and communications, which leads to enhancing effectiveness and flexibility of operations and to the possibility of multiplying the number of SAR helicopters [7]. A decision to employ CSAR helicopters and determine its strength depends, among others, on the configuration and features of the terrain being searched, visibility, tactical- -technical particulars of SAR helicopters and training and experience of crews. When deciding on a particular way of conducting the missions above the following are taken into consideration: possibility to provide rescue mission with air combat support, tasks of particular rescue helicopters and the range of responsibilities held by particular crews. HELICOPTERS IN SEARCH AN RESCUE MISSIONS AT SEA In Poland there are two establishments that are involved in rescuing people at sea: Marine Search and Rescue Service. The main type of helicopter used for SAR missions is W-3RM Anakonda. This helicopter carry out missions above water and land in various weather conditions, at night and 2013 (LIV) 79

80 Tomasz Kulik, Mirosław Adamski, Krzysztof Ogonowski, Leszek Cwojdziński ŚMIGŁOWCE W MISJI POSZUKIWANIA I RATOWNICTWA LOTNICZEGO NA MORZU W Polsce ratowaniem ludzi na morzu zajmują się dwie instytucje państwowe: Morska Służba Poszukiwania i Ratownictwa oraz Marynarka Wojenna. Podstawowym typem śmigłowca wykorzystywanym do zadań poszukiwawczo-ratowniczych jest śmigłowiec typu W-3RM Anakonda. Wykonuje zadania nad wodą i lądem w zróżnicowanych warunkach atmosferycznych w dzień i w nocy. Może zabrać na pokład do ośmiu rozbitków. Wyposażony jest w dźwigi burtowe z wciągarką elektryczną przeznaczoną do podnoszenia ludzi i ładunków za pomocą pasów ratowniczych, dwuosobowego kosza ratowniczego lub noszy i sześć nadmuchiwanych pływaków rozmieszczonych wokół kadłuba. Po wodowaniu w sytuacji awaryjnej załoga i pasażerowie mają czas na ewakuowanie. Trzy Anakondy dysponują systemem obserwacji w podczerwieni FLIR, a jedna systemem SAFIRE sprzężonym z reflektorem (tzw. szperaczem). Wiropłat wyposażony został w zewnętrzny hak pozwalający podnieść ładunek o masie 2,1 tony. Na prawej burcie kadłuba zamontowano pochylnię dla trzech bomb orientacyjno-sygnalizacyjnych OMAB. Fot. 1. Śmigłowiec W-3 RM Pic. 1. Helicopter W-3 RM Źródło: C. Cichy, BLMW. Source: C. Cichy, NAB. during the day. It can carry up to eight survivors. It is fitted with an on-board crane with an electric winch designed to hoist people and cargo by means of rescue belts, double-person rescue basket or stretchers. Each helicopter is equipped with six inflatable floats placed around the fuselage. Therefore on crash water landing the crew and passengers have time to evacuate. Three Anakondas are fitted with infrared observation system FLIR, and one with system SAFIRE integrated with a searchlight. The helicopter is fitted with an outside hook to lift a payload of up to 2.1 tons On the left side a ramp is fitted to the fuselage for three orientation-marking bombs OMAB (195)

81 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Do zadań służby SAR należy poszukiwanie i ratowanie każdej osoby znajdującej się w niebezpieczeństwie na morzu oraz zwalczanie zagrożeń i zanieczyszczeń olejowych i chemicznych środowiska morskiego, zwłaszcza: utrzymywanie ciągłej gotowości do przyjmowania i analizowania zawiadomień o zagrożeniu życia oraz wystąpieniu zagrożeń i zanieczyszczeń na morzu; planowanie, prowadzenie i koordynowanie akcji poszukiwawczych, ratowniczych oraz zwalczania zagrożeń i zanieczyszczeń; utrzymywanie w gotowości sił i środków ratownictwa życia oraz zwalczania zagrożeń i zanieczyszczeń na morzu; współdziałanie podczas akcji poszukiwawczych, ratowniczych oraz zwalczania zagrożeń i zanieczyszczeń z innymi jednostkami organizacyjnymi; współdziałanie z innymi systemami ratowniczymi funkcjonującymi na obszarze kraju; współdziałanie z odpowiednimi służbami innych państw w zakresie realizacji zadań statutowych [5]. Istotną rolę w systemie SAR odgrywa służba w systemie ratownictwa MW, która pełniona jest całodobowo. Koordynatorem, a zarazem kierującym akcjami ratowniczymi jest dyżurny oficer operacyjny MW ds. ratownictwa, The missions of SAR Service include search and rescue of any person being in danger at sea, no matter how the situation occurred, as well as fighting oil and chemical threats to the marine environment: to maintain continuous readiness to receive and analyze signals related to threat to life or occurrence of threats and pollutions at sea; to plan, conduct and coordinate SAR missions, and fight threats and pollutions; to maintain in a permanent state of readiness the means and assets used to save lives as well as to fight threats and pollution at sea; to cooperate with other organizations during search and rescue missions, and missions conducted to fight threat and pollutions at sea; to cooperate with other SAR systems that operate on the territory of the whole country; cooperating with respective services of other countries in the area covered by the statutory obligations [5]. An important role in the SAR system is played by the SAR service of the Navy, which is on duty 24 hours a day. The person to coordinate rescue operations is an Operational Duty Officer of the Navy for SAR who performs 2013 (LIV) 81

82 Tomasz Kulik, Mirosław Adamski, Krzysztof Ogonowski, Leszek Cwojdziński pełniący dyżur w ramach Dyżurnej Służby Operacyjnej Marynarki Wojennej w Centrum Operacji Morskich w Gdyni. Oficerowi ds. ratownictwa podlegają dyżurne służby operacyjne: 3. Flotylli Okrętów w Gdyni (3. FO), 8. Flotylli Obrony Wybrzeża w Świnoujściu (8. FOW), Brygady Lotnictwa MW w Gdyni (BLMW). W Marynarce Wojennej RP siły i środki lotnicze, w ramach SAR, zapewnia Brygada Lotnictwa MW, która wydziela ratownicze statki powietrzne: śmigłowiec W-3RM ze składu 43. BLotM w Gdyni, śmigłowiec Mi-14 PŁ/R ze składu 44. BLotM w Darłowie, samolot patrolowo-rozpoznawczy An-28 B1R ze składu 44. BLotM w Siemirowicach [2]. Zadania poszukiwania i ratownictwa lotniczego na morzu wykonują odpowiednio wyszkolone, wyposażone i wyspecjalizowane w tym zakresie pododdziały ze składu grup działań lotniczych obu baz lotnictwa morskiego. Podstawowym zadaniem operacyjnym realizowanym w systemie poszukiwania i ratownictwa jest udział w ratowaniu życia w polskiej strefie odpowiedzialności SRR (Search and Rescue Region rejon poszukiwania i ratownictwa, tj. obszar o określonych wymiarach, objęty działaniem służb poszukiwania i ratownictwa) samodzielnie i we współdziałaniu z Morskim Ratowniczym Centrum Koordynacyjnym (MRCK) w Gdyni. duties in the Maritime Operations Center in Gdynia. He supervises the operational duty services of: 3rd Flotilla of Ships in Gdynia (3. FS), 8. Coast Defense Flotilla in Świnoujście (8. CDF), Naval Aviation Brigade in Gdynia (NAB). In the Polish Navy, air units and means for use in SAR operations are provided by Naval Aviation Brigade, assigned from the following units: helicopter W-3RM from 43rd NABase stationed in Gdynia, helicopter Mi-14 PŁ/R 44th NABase stationed in Darłowo, reconnaissance-patrol plane An-28 B1R from 44th NABase stationed in Siemirowice [2]. SAR airborne missions at sea are carried out by appropriately trained, equipped and specialized units from the Air Operations Groups being organic parts of both of the naval aviation bases. The main operational mission carried out within the SAR system is to save lives in the Polish Search and Rescue Region independently or in cooperation with Marine SAR Coordination Center in Gdynia. The main missions carried out by the naval airborne rescue group include [1]: to evacuate the wounded and injured from floating vessels; to search for and rescue crews of aircraft and floating vessels; 82 4 (195)

83 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Do głównych zadań realizowanych przez lotnicze siły ratownicze MW należą [1]: ewakuacja rannych i poszkodowanych z jednostek pływających; poszukiwanie i ratowanie załóg statków powietrznych i jednostek pływających; naprowadzanie innych jednostek ratowniczych na miejsce katastrofy; oznakowanie miejsca katastrofy; dostarczenie odpowiedniego sprzętu na jednostki potrzebujące pomocy. Siły lotnicze ratownictwa mają ustalone trzy stopnie gotowości bojowej. Numer 1 załoga znajduje się na pokładzie statku powietrznego i czas startu od podania komendy wynosi 10 min (czas przebywania w gotowości bojowej nr 1 nie może być dłuższy niż dwie godziny). Numer 2 ratowniczy statek powietrzny znajduje się w wyznaczonym miejscu i jest gotowy do wylotu. Załoga znajduje się w pomieszczeniu pełnienia dyżuru. Czas startu od podania komendy wynosi 20 min. Numer 3 siły i środki są przygotowane na stanowiskach. W tym czasie załogi znajdują się na zajęciach. Czas startu od podania komendy wynosi 50 min latem, a jedną godzinę 10 min zimą. to guide other rescue units to the area of an accident; to mark places of accidents; to providing necessary equipment for the unit requiring assistance. SAR air units have three levels of combat readiness. Number 1 crew is on board aircraft and the time to take off from the moment the order is given is 10 minutes (time spent in combat readiness no 1 must not be longer than two hrs). Number 2 rescue aircraft is at a pre-assigned place and is ready for takeoff. The crew is in a stand-by room. The time from the moment order is given to takeoff is 20 minutes. Number 3 means are in apron. At this time crews attend training. Time from the order to the take off is: in summer 50 minutes, in winter one hr 10 minutes. As soon as the alert is sounded the duty crew of rescue aircraft start up helicopter and take off. They receive the data concerning the operation itself by radio from the Maritime Operations Center or from the airfield controller during the take-off. In the course of the rescue operations, if possible, the crew maintains continuous communication with a floating 2013 (LIV) 83

84 Tomasz Kulik, Mirosław Adamski, Krzysztof Ogonowski, Leszek Cwojdziński Natychmiast po ogłoszeniu alarmu załoga dyżurna ratowniczego statku powietrznego uruchamia śmigłowce i startuje. Dane dotyczące samej akcji uzyskuje drogą radiową z Centrum Operacji Morskich lub od kontrolera lotniska startu. W trakcie prowadzonej akcji ratowniczej, jeżeli jest to możliwe, załoga utrzymuje stałą łączność z ratowniczą jednostką pływającą operującą w rejonie prowadzenia działań. Uruchamiając system SAR, stawia się jednocześnie w stan gotowości wszystkie ratownicze środki w rejonie poszukiwawczo-ratowniczym, które mogą być wykorzystane do wsparcia akcji. Uprzedza się też służbę medyczną, a także organy i osoby, które mogą udzielić pomocy lub dostarczyć niezbędnych informacji. Dowódca załogi po zakończeniu akcji zobowiązany jest złożyć meldunek do Dyżurnej Służby Operacyjnej BLMW, a następnie do ODO MW. Meldunek otrzymuje również dowódca Brygady Lotnictwa MW (na podstawie danych uzyskanych z DSO BLMW). PODSUMOWANIE Wykorzystanie śmigłowców dla ratowania życia ludzkiego stało się działaniem,,nieocenionym, a słowa Sikorsky ego okazały się ponadczasowe. Ten rodzaj statku powietrznego jako jedyny pozwala na szybką rescue vessel operating in the region. Setting the SAR system in motion results in putting in the readiness state all rescue means in the search and rescue region which can be used to support the operation. Simultaneously medical service as well as other bodies and people who may provide assistance or necessary information are informed of the situation. The crew commander is obliged to submit a report to the Operational Duty Service NAB and then to operations officer on duty in the Polish Navy (OOO PN). The Officer Commanding NAB also receives the report (based on data obtained from DSO BLMW). CONCLUSION Use of helicopters to save human lives appears to have become invaluable activity. It must be said that words spoken by Mr Sikorsky have turned out to be timeless. This is the only kind of aircraft that offers fast reaction time and capability of operating in SAR missions in various weather conditions 24 hrs a day. To provide maritime security remains the number one task for the Polish Navy. This task makes the navy use all its assets, including naval aviation. While considering future progress of naval aviation it must be noted that it 84 4 (195)

85 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA reakcję oraz prowadzenie działań poszukiwawczo-ratowniczych w różnych warunkach atmosferycznych, bez względu na porę doby. Dla Marynarki Wojennej RP zapewnienie bezpieczeństwa morskiego pozostaje zadaniem priorytetowym, którego realizacja wymusza wykorzystanie całego posiadanego zasobu sił i środków, w tym również lotnictwa morskiego będącego strukturalną częścią morskiego rodzaju sił zbrojnych. Należy w dalszym ciągu unowocześniać i budować konstrukcje lotnicze, należy również rozważyć możliwości skrócenia czasu reakcji od ogłoszenia alarmu dla załogi dyżurnej ratowniczego statku powietrznego do momentu doprowadzenia rozbitków w bezpieczne miejsce. Pomocnym w tym przedsięwzięciu może okazać się zakup bądź modernizacja okrętów i kutrów ratowniczych. BIBLIOGRAFIA / REFERENCES [1] Cichy C., Pucka Eskadra Lotnicza, Przegląd Morski, 2009, No 2 (Puck Air Squadron available only in Polish). [2] Karpowicz J., Ratownictwo lotnicze, AON, Warszawa 2003 (Air rescue available only in Polish). [3] Przegląd Sił Powietrznych, 2007, No 1 ( Air Force Review available only in Polish). [4] Słownik terminów i definicji NATO, MON, Warszawa 2001 (NATO Glossary of Terms and Definitions available only in Polish). must be noted that it acts in support of the navy (it is its dedicated part) and it is only when the navy is appropriately financed and equipped that naval aviation will properly develop. It is necessary to continue to modernize and develop new aircraft because in the future they will also bring us help. Consideration should also be given to shortening the reaction time: from sounding the alert for the duty crew of an aircraft to the moment survivors are delivered to a safe place. Purchase or modernization of SAR ships and cutters can prove helpful to achieve this goal. [5] Truskowski A., Lotnictwo Marynarki Wojennej RP w systemie bezpieczeństwa morskiego w nowych uwarunkowaniach strukturalnych, Lotnictwo, 2011, No 6 (Polish Naval Aviation in the maritime security system in New structural conditions available only in Polish). [6] Współczesne śmigłowce bojowe, Espadon, Warszawa 1993 (Contemporary combat helicopters available only in Polish). [7] (LIV) 85

86

87 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY 2013 (LIV) 4 (195) Mariusz Specht 1) WYBRANE CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE WOJSKOWYCH ODBIORNIKÓW GPS Z MODUŁEM SAASM SELECTED PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF GPS SAASM RECEIVERS STRESZCZENIE Powszechność wykorzystania cywilnych odbiorników GPS w nawigacji światowej spowodowała konieczność zmiany sposobu podejścia Departamentu Obrony USA do wykorzystania militarnych odbiorników tego systemu. Na początku XXI wieku opracowano nową koncepcję techniczno-organizacyjną użytkowania odbiorników militarnych z modułem SAASM (Selective Availability Anti-Spoofing Module), których wykorzystanie nie wymaga synchronizacji wstępnej z sygnałami cywilnymi. Bezpośredni dostęp do serwisu wojskowego SPS (Standard Positioning Service) stał się istotą rewolucji w zakresie wykorzystania GPS w aplikacjach militarnych. W artykule zaprezentowano wybrane charakterystyki techniczne odbiorników GPS z modułem SAASM. Słowa kluczowe: moduł SAASM, jamming, spoofing. ABSTRACT Widespread use of GPS receivers in worldwide navigation has made the US Department of Defense change their approach to the use of military receivers of the system. At the beginning of the 21st century a new technical- -organizational concept was developed of using military SAASM (Selective Availability Anti-Spoofing Module) receivers which whose employment does not require initial synchronization with civilian signals. Direct access to the Standard Positioning Service (SPS) omitting civilian signals has become the core of revolution in using GPS for military purposes. The paper presents selected technical characteristics of GPS receivers with SAASM module. Keywords: SAASM module, jamming, spoofing. DOI: / X/ ) Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Gdańsk, ul. G. Narutowicza 11/12; mariuszspecht1992@gmail.com 87

88 Mariusz Specht WSTĘP Najprostszą formą niekorzystnego oddziaływania na pracę odbiorników wojskowych serwisu PPS systemu GPS jest tzw. jamming, czyli zagłuszanie sygnału. Polega ono na emisji silnego (o dużym poziomie mocy) sygnału elektromagnetycznego na częstotliwościach: L1 i L2 [1] z urządzenia zwanego w literaturze polskiej jammerem. Zasięg takiego urządzenia może sięgać nawet do kilkudziesięciu kilometrów. Jednakże strona zakłócająca musi liczyć się z praktycznie natychmiastowym oddziaływaniem zbrojnym USA. Sygnał jammera jest bardzo łatwy do wykrycia i można się spodziewać, że w kilka minut w jego antenę wysłany zostanie pocisk kierowany na źródło promieniowania elektromagnetycznego. Z takimi przypadkami mieliśmy do czynienia podczas drugiej wojny w Zatoce Perskiej. Należy podkreślić, że w sytuacji oddziaływania jammera po stronie odbiornika użytkownika nie dojdzie do przekłamania danych, lecz do utraty śledzenia sygnałów GPS poprzez znaczące podniesienie poziomu szumów (zakłóceń), które uniemożliwią utrzymanie synchronizacji odbiornika z sygnałami GPS. Na rynku urządzeń elektronicznych dostępna jest dziś cała gama jammerów systemu GPS. Przykładowe proste urządzenie tego typu zaprezentowano na rysunku 1. INTRODUCTION The simplest form of negative effect on military receiver performance in PPS (Precise Positioning System) service in GPS system is the so called jamming a signal which consists in emitting a strong (i.e. high power) electromagnetic signal on frequencies: L1 and L2 [1] from a device known in Polish literature as a jammer. The range of such a device can extend up to tens of kilometers. However, the jamming party has to face up to an immediate military response by the USA. A jammer signal is easy to detect and it can be expected that within a few minutes an electromagnetic radiation source seeking missile will be fired at their antenna. Such cases were recorded during the second war in the Persian Gulf. It must be underlined that in the case of jamming there will not occur any errors in the data received by the user s receiver but there will occur loss in signal tracking due to an increase in the noise level (interference), which will prevent synchronization of the receiver with GPS signals. A large range of GPS jammers are available on the electronics market today. An example of a simple device of this kind is presented in the figure 1. It must be underlined that use of such a device is legally prohibited [5] (195)

89 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Rys. 1. Przykładowy GPS jammer Fig. 1. Example of GPS jammer Źródło: materiał reklamowy firmy JHY/OEM. Source: advertising material of JHY/OEM firm. Należy w tym miejscu podkreślić, iż używanie takiego urządzenia jest prawnie zabronione [5], a potencjalny użytkownik winien zdawać sobie sprawę, że sygnał zakłócający może oddziaływać również na takie obiekty jak samoloty czy statki, stwarzając w ten sposób bardzo poważne zagrożenie bezpieczeństwa ich nawigacji, skutkujące zagrożeniem życia przewożonych osób i doprowadzeniem do ewentualnej katastrofy transportowej. Z badań wynika, że emisja sygnału zagłuszającego o mocy 1 W powoduje, utratę śledzenia kodu C/A przez odbiornik w odległości do 14 km, natomiast fazy sygnału częstotliwości nośnej w odległości do 44 km [6]. ODBIORNIKI WOJSKOWE WYKORZYSTUJĄCE MODUŁY SAASM Drugą, znacząco bardziej złożoną metodą oddziaływania przekłamywania sygnałów GPS jest tzw. spoofing [2] But what is most important is that a potential user should be aware that a jamming signal can also affect objects like airplanes or ships in this way causing a very serious danger related to their navigation. This can result in a threat to people s lives and a transport accident. It follows from the relevant research that emission of a 1W jamming signal leads to loss of tracking C/A code by the receiver within a distance of 14 km and the signal carrier frequency phase within a distance of 44 km [6]. MILITARY SAASM RECEIVERS The second, significantly more complex method of affecting-deceiving GPS devices is the so called spoofing [2]. In spoofing signals the transmitted signals are identical to real ones transmitted by satellites but they carry falsified navigational data. The result can be a shift in position coordinates 2013 (LIV) 89

90 Mariusz Specht polegający na emisji sygnałów identycznych do tych, które transmitują satelity, ale przenoszących zafałszowane dane nawigacyjne. Ich skutkiem może być przesunięcie wyznaczanych przez odbiorniki użytkownika współrzędnych pozycji czy wprowadzenie błędów w transferze czasu GPS. W przeciwieństwie do pierwszej techniki spoofing wymaga dużej wiedzy oraz zaawansowania technologicznego. W opinii autora tego typu urządzeniami mogą dysponować jedynie kraje o bardzo zaawansowanej technologii. Na dzień dzisiejszy nie są znane i odnotowane przypadki praktycznego wykorzystania takiego urządzenia. Kategoryzując współczesne odbiorniki nawigacyjne GPS obu serwisów (SPS i PPS), można je podzielić na trzy grupy [3]: 1. Konwencjonalne cywilne odbiorniki serwisu SPS wykorzystujące kod C/A. To urządzenia stosowane powszechnie w aplikacjach cywilnych, umożliwiają wyznaczanie współrzędnych pozycji w oparciu o kod pseudoprzypadkowy C/A. Należy podkreślić, że w sytuacji utraty śledzenia sygnału C/A odbiornik przestanie wyznaczać pozycję. 2. Konwencjonalne militarne odbiorniki serwisu PPS wykorzystujące kody C/A i P(Y). displayed by the user s receivers or errors in GPS time transfer. Unlike the first technique this one spoofing requires incomparably bigger knowledge and technological advancement. In the author s opinion only high advanced technology countries can possess such devices. Up to date uses of such devices have not been recorded. Categorizing present-day GPS navigational receivers in both services (SPS and PPS) can be divided into three groups [3]: 1. Conventional civilian receivers utilizing C/A code for SPS users using. They are devices used commonly in civilian applications. They can be used to fix positions based on pseudo-unintentional C/A. It should be underscored that when the tracking of a C/A signal is lost, the receiver will stop fixing the position. 2. Conventional military receivers, utilizing C/A and P(Y) codes, for PPS users. They are devices used in the military, where the process of obtaining coordinates based on the P(Y) code requires prior reception of C/A and P(Y) signals. When the C/A code is switched off, the receiver working on P(Y) signals remains in the state of (work) 90 4 (195)

91 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA To urządzenia stosowane w wojsku, gdzie proces uzyskania współrzędnych w oparciu o kod P (Y) wymaga uprzedniego odbioru sygnałów C/A. W przypadku wyłączenia kodu C/A pracujący w oparciu o sygnał P(Y) odbiornik pozostanie w stanie zdatności (pracy) tak długo, póki nie dojdzie do utraty synchronizacji kodów P(Y) odbiornika i satelity. Oznacza to, że w przypadku jego wyłączenia lub utraty śledzenia sygnałów P(Y), możliwej np. w gęstej zabudowie terenu czy gęstej roślinności, odbiornik ten nie będzie mógł wyznaczyć współrzędnych pozycji. Odbiornik tak długo pozostanie w stanie niezdatności, aż nie zostaną przywrócone sygnały C/A satelitów. 3. Nowoczesne militarne odbiorniki SAASM serwisu PPS bezpośredniej akwizycji kodu P(Y). To urządzenia, które do uzyskania akwizycji oraz śledzenia sygnałów P(Y) nie wymagają uprzedniej synchronizacji z sygnałem C/A. SAASM to akronim: SA: Selective Availability (selektywna dostępność) metoda kryptograficzna stosowana w GPS, której efektem jest obniżenie dokładności określenia pozycji przez użytkowników cywilnych; AS: Anti-Spoofing (przeciwdziałanie zakłóceniom celowym GPS) sposób worthiness until the P(Y) code synchronization of receiver and satellite is lost. This means that when the P(Y) signals are switched off or lost, which can occur in a dense urban area or an area covered by dense vegetation the receiver will be unable to fix the position. The receiver will remain in the state of unworthiness until satellite C/A signals are recovered. 3. Modern military direct P(Y) code acquisition SAASM receivers for PPS users. They are devices which do not need prior synchronization with the C/A code for acquisition of or for tracking the P(Y) code. SAASM is an acronym: SA: Selective Availability a cryptographic method used in GPS whose result is downgrading position fixing accuracy by civilian users; AS: Anti-Spoofing the way to protect military users of GPS against undesired signals; M Module. At the same time attention should be paid to a particular, important with regard to GPS military applications, classification of receivers for PPS users: 1. Portable receivers. They are designed for use by a single soldier 2013 (LIV) 91

92 Mariusz Specht zabezpieczenia użytkowników wojsko-wych GPS przed sygnałami niepożąda-nymi; M: Module (moduł). Jednocześnie należy zwrócić uwagę na specyficzny, istotny z punktu widzenia zastosowań militarnych GPS, podział odbiorników serwisu PPS: 1. Odbiorniki przenośne (ręczne). Przeznaczone są do wykorzystania przez pojedynczego żołnierza (dowódcę pododdziału) na polu walki i służą zasadniczo do orientacji (lokalizacji) w terenie. Są one wyposażone w duży wyświetlacz umożliwiający analizę sytuacji topograficznej oraz nawigacji wraz z zestawem użytecznych aplikacji. 2. Odbiorniki stacjonarne (platformowe, pokładowe). Stanowią grupę urządzeń GPS wyposażonych w moduł SAASM i wchodzą w skład zintegrowanych systemów dowodzenia obiektów (pojazdów bojowych, czołgów, samolotów i okrętów). Są one stałym elementem wyposażenia pojazdu i najczęściej nie mają własnego wyświetlacza. Odbiornik ręczny (przeznaczenie zasadnicze) to urządzenie GPS wykorzystywane przez pojedynczego żołnierza lub dowódcę pododdziału (drużyna, pluton) na polu walki, używane w celu wyznaczenia współrzędnych pozycji, prędkości i czasu, jak również orientacji topograficznej (squad or platoon leader) on the battlefield for localizing the position in a terrain. They are equipped with large displays that can be used to analyze topographic situation and for navigation, along with a set of useful apps. 2. Platform (on-board) receivers. They constitute a group of GPS devices equipped with SAASM and employed in platform-based integrated command systems (combat armored carriers, tanks and ships). They are permanent elements of platform equipment and most often do not have their own displays. The notion of portable receiver (main designation) is to be interpreted as a GPS device used by a single soldier or a squad or platoon leader on the battlefield to fix position coordinates, speed and time, as well as to get topographical orientation and to co-operate with other units. For this reason its capabilities related to map and cartographic displays, to using diversified geodetic reference systems, and to many additional functions are significantly enhanced. Undoubtedly, today the most modern receiver in the world is a DAGR (Defense Advanced GPS Receiver), a military device developed by American company Rockwell Collins. The figure below presents various GPS receivers for PPS users and DAGR (195)

93 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA oraz współdziałania z innymi pododdziałami. Z tego względu jego możliwości w zakresie zobrazowań mapowych i kartograficznych, stosowania zróżnicowanych geodezyjnych układów odniesienia oraz wielu dodatkowych funkcji nawigacyjnych są znacząco rozbudowane. Niewątpliwie dziś najnowocześniejszym odbiornikiem na świecie jest DAGR (Defence Advanced GPS Receiver), militarne urządzenie produkcji amerykańskiej firmy Rockwell Collins. Na poniższym rysunku zaprezentowano różne odbiorniki serwisu PPS systemu GPS wraz z DAGR. a) Rys. 2. Typowe odbiorniki ręczne serwisu PPS systemu GPS: PLGR, DAGR Fig. 2. Typical portable GPS receivers for PPS users: PLGR, DAGR Źródło: materiały producentów odbiorników PLGR oraz DAGR. Source: advertisement materials of manufacturers of PLGR and DAGR receivers. b) Inną grupę stanowią odbiorniki stacjonarne (platformowe). Są one stosowane powszechnie w pojazdach bojowych, takich jak czołgi, KTO (kołowy transporter opancerzony), samoloty bojowe czy okręty. O ich możliwościach decyduje, poza zaawansowaniem modułu SAASM, zdolność The other group includes platform receivers. They are commonly used in combat vehicles such as tanks, wheeled armored carriers, aircraft or ships. Their capabilities depend on, apart from the advancement of SAASM, ability to transmit specific signals to the command system of 2013 (LIV) 93

94 Mariusz Specht do transmisji określonych sygnałów do rozbudowanego systemu dowodzenia pojazdu bojowego. Na rysunku 3. zaprezentowano typowe stacjonarne odbiorniki serwisu PPS systemu GPS. a combat vehicle. The figure below presents typical platform GPS receivers for PPS users. Rys. 3. Odbiorniki stacjonarne serwisu SPS systemu GPS: MAGR 2000, HGPST model T Fig. 3. Platform GPS receivers for SPS users: MAGR 2000, HGPST model T Źródło: materiały producentów odbiorników MAGR oraz HGPST. Source: materials of manufacturers of receivers MAGR and HGPST. Jednym z najbardziej znanych odbiorników stacjonarnych z modułem SAASM stosowanym w wojsku polskim jest odbiornik HGPST model T. Odbiorniki tego rodzaju zostały zakupione przez Departament Zaopatrywania Sił Zbrojnych MON w październiku 2007 r. od firmy Hertz Systems i zamontowane w KTO Rosomak wykorzystywanych na misjach w Afganistanie. Firma ta jest jedynym producentem odbiorników HGPST model T i jako jedyna firma w kraju ma podpisaną umowę o współpracy z amerykańską ITT Corporation w zakresie integracji modułów krypto SAASM One of the most known platform SAASM receivers used in the Polish armed forces is a HGPST receiver, model T. These receivers were purchased by the Armed Forces Supplies Department MOD in October, 2007 from Hertz Systems. They were installed in wheeled armored carriers Rosomak which are used in missions in Afghanistan. This firm is the only manufacturer of HGPST receivers, model T and it is also the only firm that has signed a cooperation agreement with the American ITT Corporation related to integrating crypto SAASM modules supplied to 94 4 (195)

95 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA dostarczanych wojsku na podstawie odrębnej umowy [4]. W poniższej tabeli zostały przedstawione parametry wybranych odbiorników HGPST-T. the military in accordance with a separate contract [4]. The table below presents parameters of some HGPST-T receivers. Tabela 1. Parametry wybranych odbiorników HGPS-T Table 1. Parameters of some HGPS-T receivers Typ odbiornika firmy Hertz Type of Hertz receiver HGPST T-EM HGPST T-EH HGSPT T-ET Liczba kanałów Number of channels Częstotliwość Frequency Dokładność określania czasu Time fixing accuracy Dokładność określania pozycji Position fixing accuracy Dokładność prędkości Speed accuracy Zastosowanie Use 12 L1 kody C/A, P(Y) / L1 C/A, P(Y) codes L2 kod P(Y) / L2 P(Y) code 50 ns (90%) 10 m (3D SEP, tryb PPS) / 10 m (3D SEP, mode PPS) wojskowe jednostki pływające military floating platforms 0.4 m/s (90%) śmigłowce helicopters czołgi i obiekty zbudowane na ich bazie tanks and objects built on their base Źródło: materiały producentów odbiorników Hertz. Source: materials of manufacturers of Hertz receivers. Na rysunku 4. zaprezentowano przykładową konfigurację produkowanego w Polsce odbiornika stacjonarnego HGPST model T. W celach porównawczych w tabeli 2. zestawiono wybrane parametry techniczne oraz charakterystyki nawigacyjne innych produkowanych na świecie odbiorników GPS z modułem SAASM. The figure 4 presents an example of configuration of HGPST-model T platform receiver manufactured in Poland. The table 2 compares selected technical parameters and navigational characteristics of other GPS SAASM receivers manufactured in the world (LIV) 95

96 Mariusz Specht Tabela 2. Parametry wybranych odbiorników z modułem SAASM Table 2. Parameters of some SAASM receivers Rockwell Collins Airborne SAASM Receiver (ASR) Trimble F22E SAASM Miniature PLGR Engine SAASM (MPE-S) Typ odbiornika Type of receiver Liczba torów odbiorczych Number of reception paths Częstotliwość Frequency Dokładność określania czasu Time fixing accuracy Dokładność określania pozycji Position fixing accuracy Dokładność prędkości Speed accuracy Zastosowania Uses L1 kody C/A, P(Y) L1 C/A, P(Y) codes L2 kod P(Y) L2 P(Y) code PPS: < 30 nsec RMS SPS: < 45 nsec RMS PPS: < 5.6 m RMS horyzontalnie PPS: < 5.6 m RMS horyzontally SPS: < 6 m RMS horyzontalnie SPS: < 6 m RMS horyzontally PPS: < 0.1 m/s RMS SPS: < 0.3 m/s RMS oba serwisy (SPS, PPS) both SPS, PPS we wszystkich platformach on all platforms L1 kody C/A, P(Y) L1 C/A, P(Y) codes L2 kod P(Y) L2 P(Y) code PPS: 40 nsec dla UTC PPS: < 3 m horyzontalnie PPS: < 3 m horyzontally L1 kody C/A, P(Y) L1 C/A, P(Y) codes L2 kod P(Y) L2 P(Y) code 100 nsec SDGPS: < 2 m CEP WAGE: < 4 m CEP PPS: < 12 m CEP PPS: < 0.1 m/s RMS 0.4 m/s (95%) sterowanie amunicją, pojazdami bezzałogowymi i komunikacją mobilną (jako lokalizator i wzorzec czasu) control of ammunition, unmanned vehicles and mobile communications (as localizer and time standard) we wszystkich platformach wymagających precyzyjnych danych GPS on all platforms requiring accurate GPS data aplikacja Command and Control, sterowanie pociskami Command and Control application, control of missiles Źródło: materiały reklamowe firm Rockwell Collins oraz Trimble. Source: advertising materials of Rockwell Collins and Trimble (195)

97 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA 4 (195) 2013 Rys. 4. Konfiguracja połączeń współczesnego odbiornika stacjonarnego SAASM Fig. 4. Connection configuration of a present-day platform Źródło: materiały producentów odbiorników Hertz. Source: materials of manufacturers of Hertz receivers. ZAKOŃCZENIE W artykule zaprezentowano: 1. Wpływ niekorzystnych form oddziaływań radiowych na odbiorniki wojskowe. 2. Podział współczesnych odbiorników nawigacyjnych GPS serwisów PPS i SPS. 3. Wybrane parametry przykładowych odbiorników GPS z modułem SAASM. Artykuł przygotowano pod nadzorem merytorycznym prof. C. Spechta. BIBLIOGRAFIA / REFERENCES [1] Bhatti J. A., Dougherty R. C., Humphreys T. E., Mitch R. H., O Hanlon B. W., Powell S. P., Psiaki M. L., Signal Characteristics of Civil GPS Jammers, ION GNSS, CONCLUSIONS The paper presents: 1. The effect of negative forms of radio activities on military receivers. 2. A classification of present-day GPS receivers for PPS and SPS users. 3. Selected parameters of some GPS SAASM receivers chosen by way of examples. The paper was written under supervision of Prof. C. Specht. [2] Bhuiyan M. Z. H., Kuusniemi H., Interference / Jamming: Signal barred, The Geospatial Industry Magazine, November [3] Callaghan S., Fruehauf H., SAASM and Direct P(Y) Signal Acquisition, The Journal of Defense Software Engineering, June (LIV) 97

98 Mariusz Specht [4] Golawski A., Kompas to przeżytek nawigatory HGPST, gazeta internetowa Polska Zbrojna, 2009 (Compass is a relic of the past available only in Polish). [5] Hendricks M., White paper on GPS Jamming Increasing system resilience to counteract intentional and unintentional GPS signal interference, Protection Tech. Group, [6] Sklar J. R., Interference Mitigation Approaches for the Global Positioning System, Lincoln Laboratory Journal, (195)

99 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ SCIENTIFIC JOURNAL OF POLISH NAVAL ACADEMY 2013 (LIV) 4 (195) Mariusz Wąż 1), Krzysztof Naus 1) WIZUALIZACJA WIELOWYMIAROWEGO OBRAZU RADAROWEGO DISPLAYING MULTIDIMENSIONAL RADAR IMAGE STRESZCZENIE W artykule przedstawiono możliwości zastosowania bibliotek graficznych OpenGL, DirectX i innych aplikacji do tworzenia zobrazowania radarowego 3D. Opisano etapy procesu generowania trójwymiarowego zobrazowania radarowego i zilustrowano to na przykładach. Zwrócono także uwagę na zastosowanie specjalnej techniki rejestracji i przetwarzania obrazu zapewniającego pozyskanie informacji o trzeciej współrzędnej. Słowa kluczowe: radar, obraz radarowy, obraz trójwymiarowy. ABSTRACT This paper presents the possibilities to use graphics libraries OpenGL, DirectX and other applications to make a 3D display. It describes the stages of the process of generating a radar 3D display and contains illustrated examples. It also draws attention to using a special technique for recording and processing an image which ensures the acquisition of data related to the third coordinate. Keywords: radar, radar image, 3D display. DOI: / X/ ) Akademia Marynarki Wojennej, Wydział Nawigacji i Uzbrojenia Okrętowego, Gdynia, ul. J. Śmidowicza 69; {m.waz; k.naus}@amw.gdynia.pl 99

100 Mariusz Wąż, Krzysztof Naus WSTĘP Zasadniczym zagadnieniem w tworzeniu radarowego zobrazowania trójwymiarowego jest sposób pozyskania informacji o trzeciej współrzędnej. Trzeba mieć na uwadze to, że współczesne radary nawigacyjne są urządzeniami mierzącymi odległość w układzie współrzędnych 2D. Wzmocnienie wyświetlanego echa w zobrazowaniu radarowym jest uzależnione od powierzchni skutecznego odbicia, która tylko po części może świadczyć o wielkości obserwowanego obiektu. Powierzchnia ta nie zawsze jest wprost proporcjonalna do wielkości (gabarytów) obserwowanych obiektów, zależy także od materiału, z jakiego jest wykonany obiekt oraz od jego struktury. Może być ona zwiększona dzięki zastosowaniu odpowiednich reflektorów radarowych. Nie ma więc możliwości pozyskania wiarygodnej informacji o wysokości obserwowanego obiektu przez radar. Na podstawie jasności plamki obserwowanego echa można tylko przypuszczać, że reprezentuje ono duży bądź mały obiekt. Trzecim wymiarem (trzecią współrzędną) może być zatem poziom natężenia odbitego i powracającego do odbiornika sygnału radiolokacyjnego [8, 9, 11, 13, 14]. Dalej opisano kilka metod wizualizacji wielowymiarowego obrazu radarowego. INTRODUCTION The main issue in generating a 3D display is the way to acquire data relating to the third coordinate. It must be born in mind that presentday navigational radars are devices which measure the range in the 2D system. To enhance an echo image on a radar display depends on the radar cross section, which can, only in part, give information on the size of the object observed. The radar cross section is not always directly proportional to the size (overall dimensions) of the objects observed and is also dependent on the material an object is made of, as well as its structure. The radar cross section can be enlarged with the use of appropriate radar reflectors. Thus, it is not possible to acquire reliable data on the height of an object being observed by radar. It is only possible to make an assumption based on the brightness of an echo spot being observed as to whether it represents a large or a small object. Thus the intensity level of the radar signal reflected to the receiver can be the third dimension, the third coordinate [8, 9, 11, 13, 14]. A few methods used to display a 3D radar image are described below. These methods were used during the execution of a KBN research project entitled 3D display of shipboard navigational radar images used to (195)

101 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Metody te wykorzystano podczas realizacji projektu badawczego KBN pt. Wielowymiarowe zobrazowanie okrętowego radaru nawigacyjnego do detekcji obiektów o niskiej wykrywalności (nr 0537/B/T00/2009/37). TRZECIA WSPÓŁRZĘDNA ZOBRAZOWANIA RADAROWEGO Jak wspomniano we wstępie, trzecią współrzędną może być natężenie odbitego i powracającego do odbiornika sygnału radiolokacyjnego. Wartość ta wyrażona jest jako poziom wzmocnienia sygnału wizyjnego W lub U (zależności (1) i (2)). Takie podejście daje większe możliwości w zakresie sposobów wizualizacji wybranych elementów zobrazowania radarowego. Najważniejszym zadaniem przed tworzeniem reprezentacji 3D jest zapisanie obrazu radarowego w postaci cyfrowej umożliwiającej odczytanie trzech współrzędnych dla każdego piksela obrazu. Obraz radarowy można przedstawić jako wektor opisany na zbiorze liczb rzeczywistych [7, 12, 13, 14]: detect objects of low detection rate (nr 0537/B/T00/2009/37). THIRD COORDINATE OF RADAR DISPLAY As mentioned in the introduction the intensity of a signal reflected and returned to a radar apparatus can be the third coordinate. This magnitude is expressed as the level of the image signal enhancement W or U (dependences (1) and (2)). This approach offers higher possibilities related to the ways of displaying selected elements of a radar image. The main task, prior to generating a 3D representation, is to record a radar image in a digital form which can be used to read off the three coordinates for each pixel of the display. A radar display can be presented as a vector described on a set of real numbers [7, 12, 13, 14]: k k O R; O = ( ϕ, λ, W ), (1) gdzie: where: ϕ, λ współrzędne geograficzne poszczególnych pikseli obrazu 0 0 ϕ < 0, ± 90 >, λ < 0, ± 180 > / geographical coordinates for particular pixels of an image 0 0 ϕ < 0, ± 90 >, λ < 0, ± 180 > ; 2013 (LIV) 101

102 Mariusz Wąż, Krzysztof Naus W poziom wzmocnienia piksela obrazu identyfikowanego jako echo radarowe W < 0, K > K N / level of pixel enhancement in a display identified as a radar image echo W < 0, K > K N. Dla sygnałów wizyjnych zarejestrowanych w biegunowym układzie współrzędnych [7, 12, 13, 14]: And for display signals recorded in a polar coordinates system [7, 12, 13, 14]: b b O R; O = ( α, d, U ), (2) gdzie: where: 0 α współrzędna biegunowa identyfikowana jako namiar (NR) α < 0,360 > / 0 a polar coordinate identified as a bearing (NR) α < 0,360 > ; d współrzędna biegunowa identyfikowana jako odległość (d r) d < 0, Z > / a polar coordinate identified as a range (d r) d < 0, Z > ; U napięcie sygnału wizyjnego U < 0, u > Z, u R / display signal voltage U < 0, u > Z, u R. Rys. 1. Przebieg zmian wartości napięcia sygnału wizyjnego radaru nawigacyjnego w funkcji czasu (wykres wykonano na podstawie danych zarejestrowanych oscyloskopem) Fig. 1. Distribution of changes in display signal voltage in a navigational radar, in time function (the diagram is based on data recorded with an oscilloscope) (195)

103 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Na rysunku 1. przedstawiono przebieg zmian wzmocnienia sygnału wizyjnego U za pomocą oscyloskopu TEKTRONIX DPO Wzmocnienie to prezentowane jest jako wartość napięcia analogowego sygnału wizyjnego wyrażone w woltach (V). Należy nadmienić, że zarejestrowane wartości napięcia sygnału wizyjnego podlegają obróbce cyfrowej. Proces ten nie jest realizowany w czasie rzeczywistym. Zapis sygnału pozyskanego przez oscyloskop ze względu na parametry przesyłania i zapisu odbywa się co około 0,625 sekundy. Zakładając, że prędkość obrotowa anteny wynosi dwadzieścia obrotów na minutę, to przez trzy sekundy wykonuje ona pełen obrót o 360. Wynika z tego, że dla kolejnych pomiarów namiary układają się sekwencyjnie z częstotliwością 1,67 Hz (około cztery namiary na jeden obrót anteny radarowej). W celu pozyskania obrazu radarowego zapisanego z rozdzielczością co jeden stopień wymagane jest prowadzenie rejestracji przez około 3,75 minuty. Dla uzyskania lepszych wyników należy zastosować urządzenie pomiarowe dające możliwość zapisywania sygnałów wizyjnych z większą częstotliwością. Przy częstotliwości 24 Hz pełen obraz radarowy pozyskujemy po piętnastu sekundach, czyli po sześciu obrotach anteny radarowej. Taką metodą możemy zapisywać sygnał wizyjny w pamięci komputera przy obracającej się antenie. The distribution of changes in display signal enhancement U recorded with an oscilloscope TEKTRONIX DPO 3012 are presented in figure 1. This enhancement is presented as a voltage value of an analogue display signal expressed in Volts (V). It must be mentioned that the values recorded of the display signal voltage are subject to processing. This process is not realized in real time. Recording of signals from the oscilloscope mentioned above, due to transfer and recording parameters, is carried out approximately every sec. Assuming that the rotational antenna speed is twenty rotations per minute, it takes three seconds to make one complete turn of 360. It follows from that, that for the successive measurements the bearings lie sequentially with a frequency of 1.67Hz (approximately four bearings per one complete turn of the radar antenna). To obtain a radar display recorded with a resolution of every one degree it is necessary to continue recording for approximately 3.75 minutes. To obtain better results it is necessary to use a measuring device which can record display signals with a higher frequency. At a frequency of 24 Hz the full radar image is obtained after fifteen seconds, i.e. after six rotations of the antenna. This method can be employed to store a signal display in a computer memory while the antenna is rotating (LIV) 103

104 Mariusz Wąż, Krzysztof Naus Schemat metody zapisu sygnału wizyjnego przedstawia poniższy rysunek. The figure below presents a diagram of a display signal recording method Rys. 2. Schemat metody zapisu kolejnych namiarów sygnału wizyjnego z radaru Fig. 2. A diagram of a method for recording successive bearings of a radar display signal Na rysunku 2. widać, że kolejne namiary oznaczone 8, 9 itp. rejestrowane są już przy drugim obrocie anteny. Następny obrót rozpocznie pomiar 14. itd., aż ukompletujemy cały obraz radarowy, gdzie namiary będą oddalone od siebie co około jeden stopień. Pomiarów należy dokonywać na radarach stacjonarnych lub jednostkach niebędących w ruchu. WYKORZYSTANIE SPECJALIZOWANYCH APLIKACJI DO TWORZENIA GRAFIKI TRÓJWYMIAROWEJ Mając obraz radarowy zapisany jako wektor trójwspółrzędny, w celu stworzenia wizualizacji trójwymiarowej możemy skorzystać z odpowiednich bibliotek graficznych. Pozwalają one It can be seen in figure 2 that the successive bearings marked 8, 9, etc. are recorded as early as during the second rotation of the antenna. The next rotation will start 14th bearing and so on, until the whole radar display is completed, where the bearings are distanced approximately one degree from one another. It must be remembered that the measurement should be done using stationary or shipboard radars when ships are not in motion. USING APPLICATIONS DESIGNED TO PRODUCE 3D GRAPHICS Having a radar image recorded as a three-coordinate vector, to generate a 3D display we can make use of appropriate graphics libraries. They allow coding 3D graphics applications (195)

105 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA na kodowanie trójwymiarowych aplikacji graficznych działających pod kontrolą systemu operacyjnego. Przykładem takich bibliotek są OpenGL (Open Graphics Library) lub powszechnie znana biblioteka w systemie Windows Direct3D (część DirectX). Biblioteki te są przykładami uniwersalnego API (Application Programming Interface) do generowania grafiki umożliwiającej budowanie złożonych trójwymiarowych scen z podstawowych figur geometrycznych. Technologię tę wykorzystano podczas realizacji projektu badawczego KBN pt. Wielowymiarowe zobrazowanie okrętowego radaru nawigacyjnego do detekcji obiektów o niskiej wykrywalności (nr 0537/B/T00/2009/37). Główne elementy projektu oparto na aplikacji komputerowej z zaimplementowanym modelem tworzenia wielowymiarowego sygnału wizyjnego pochodzącego z radaru nawigacyjnego generowanego na podstawie danych pozyskanych z rejestracji sygnałów wizyjnych oraz danych ENC. Aplikacja została opracowana w zintegrowanym środowisku rozwoju aplikacji C++ Builder 6.0. Pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego Windows NT i XP przy wykorzystaniu interfejsu programowego biblioteki graficznej OpenGL [2, 3]. Proces generowania trójwymiarowego zobrazowania radarowego odbywa się w czterech podprocesach: functioning under the control of an operational system. OpenGL (Open Graphics Library) or Windows Direct3D (part DirectX) are examples of such libraries. These libraries are an example of the Application Programming Interface (API) generate graphics which can be used to build complex 3D scenes from basic geometrical figures. This technology was used to execute a KBN research project titled: Multidimensional display of shipboard navigational radar to detect objects of low detection rate (No 0537/B/ T00/2009/37). The main elements of the project are based on a computer application. A model for creating a 3D signal display obtained from a navigational radar generated from data obtained from display signal recordings and ENC data is implemented in the application. The application was created in C++ Builder 6.0, an integrated environment used to develop applications. It works under the control of Windows NT and XP using the Open graphic Library (OpenGL) programming interface [2, 3]. The process of generating 3D radar displays consists of four sub-processes: geometric modeling of a 3D radar display; modeling proper material; modeling lighting; 2013 (LIV) 105

106 Mariusz Wąż, Krzysztof Naus modelowania geometrycznego wielowymiarowego obrazu radarowego; modelowania właściwości materiału; modelowania oświetlenia; zobrazowania na ekranie monitora wymodelowanej trójwymiarowej powierzchni wielowymiarowego obrazu radarowego w dynamicznym odwzorowaniu perspektywicznym. displaying, on a screen, a modeled 3D surface of a multidimensional radar image in dynamic perspective representation. Rys. 3. Program do wizualizacji zobrazowania radarowego 3D Fig. 3. Software for generating a 3D radar display Modelowanie geometryczne wielowymiarowego zobrazowania radarowego Geometrical modeling of a multidimensional radar display Trójwymiarowe zobrazowanie radarowe generowane jest na podstawie danych pozyskanych z rejestracji rzeczywistych radarowych sygnałów wizyjnych. Dane pomiarowe są przechowywane w plikach tekstowych w postaci wektorów opisanych współrzędnymi geograficznymi każdego punktu pomiarowego oraz wartością napięcia sygnału wizyjnego. Na podstawie tych danych ustala się przestrzenne położenie punktów węzłowych siatki kwadratów elipsoidalnych opisującej numeryczny model powierzchni obrazu radarowego. A 3D radar display is generated from data obtained from recordings of real visual radar signals. Measurement data is stored in text files in the form of vectors described with geographical coordinates of each measurement point and the value of display signal voltage. This data is used to determine the spatial location of nodes in an ellipsoidal square grid describing the numerical model of radar image surface. The main parameters of each node in this grid, necessary to determine its spatial location, are: ellipsoidal coordinates and the display (195)

107 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA Zasadniczymi parametrami każdego węzła tej siatki, niezbędnymi do wyznaczenia jego przestrzennego położenia, są: współrzędne elipsoidalne i wartość sygnału wizyjnego. Wartość wzmocnienia sygnału radarowego w węźle wyznaczana jest w wyniku interpolacji (w prototypie zastosowano interpolację metodą odwrotnych odległości) wartości wzmocnienia (napięcia) sygnału wizyjnego wyznaczonych w punkcie węzłowym lub w pobliżu niego. Parametry ustawialne przez operatora to: rozdzielczość odpowiada za rozmiar oczka siatki; skala parametru odpowiada za wzmocnienie sygnału wizyjnego w węźle siatki; parametr metody i stopień wygładzania współczynniki ustawialne w zastosowanej metodzie interpolacyjnej odwrotnych odległości; liczba punktów do interpolacji określa maksymalną liczbę najbliższych punktów wziętych do interpolacji. W kolejnym etapie przetwarzania siatki kwadratów elipsoidalnych współrzędne elipsoidalne węzłów i wyinterpolowane w nim wartości radarowego sygnału wizyjnego transformowane są do geocentrycznego układu odniesienia. Tak przygotowany model geometryczny wykorzystywany jest bezpośrednio w czasie wizualizacji. signal magnitude. The value of the signal enhancement in a node is determined as a result of interpolation (the distance weighted interpolation was used in the prototype) of display signal (voltage) enhancement magnitudes determined in the node or in its proximity. Parameters set by an operator are: resolution responsible for the size of a mesh in a grid; parameter scale responsible for visual signal enhancement in a grid node; parameter of method and degree of smoothing coefficients settable in the distance weighed interpolation method utilized; number of points for interpolation determines the maximum number of closest points used in interpolation. At the next stage of transforming an ellipsoidal square grid, ellipsoidal coordinates of nodes and the values of radar display signal interpolated in it are transformed into a geocentric reference system. A geometrical model prepared this way is used directly in the course display. Modeling properties of material Modeling properties of radar display surface material consists in determining the type of texture covering it and its properties with respect to the 2013 (LIV) 107

108 Mariusz Wąż, Krzysztof Naus Modelowanie właściwości materiału Modelowanie właściwości materiału powierzchni zobrazowania radarowego polega na określeniu rodzaju pokrywającej go tekstury oraz jego właściwości [1, 3, 6]: refleksyjnych w od-niesieniu do źródeł światła, emisji własnego światła oraz stopnia połyskliwości. Powierzchnię obrazu radarowego pokryto teksturą klasycznej, płaskiej morskiej mapy nawigacyjnej. Zdecydowano się na to z dwóch powodów. Po pierwsze opracowana aplikacja nie ma możliwości pozyskiwania zobrazowania radarowego ze wskaźnika radaru nawigacyjnego. W takcie badań dokonywano przede wszystkim rejestracji pierwotnego sygnału wizyjnego. Rejestracja zobrazowania radarowego wymuszałaby opracowanie metody powiązania tych sygnałów z rejestrowanym na poziomie wskaźnika rastrowym obrazem radarowym. Do tego celu proponuje się stosować specjalizowane karty PC RadarKit. W trakcie badań rejestrowano rastrowy obraz radarowy. Służył on do zgrubnego wykrywania różnic w wizualizacji informacji radarowej. Rejestracje nie były zsynchronizowane. Kolejny powód nakładania tekstury mapowej na obraz radarowy to ewentualne jego porównanie z mapą. W strefie przybrzeżnej nabiera to szczególnego znaczenia. Widoczne są elementy reflective light sources, light emitting property and the degree of its gloss [1, 3, 6]. The radar display surface was covered with a superimpose background of a classical flat navigational chart. There were two reasons for making this decision. Firstly, the application developed does not offer the possibility to acquire a radar display from a navigational radar indicator. During the investigations it was the original signal that was recorded first. To record a radar display would require developing a method for combining these signals with the radar raster display recorded at the indicator level. To this end it is suggested that specialized PC RadaKit cards be used (see chapter. 2). In the course of investigations the radar raster image was recorded. It was used to detect rough differences in the display information. The recordings were not synchronized. The other reason for superimposing the map background on the radar image was the possibility to compare the image with the chart. It is of special importance in the off- -shore area. Land-based elements, which should generate a strong radar echo, are visible. This method of presenting the shape of a radar display allows easier identification of off-shore objects. The texture does not have much importance on the open sea. It should be expected that points of (195)

109 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA lądowe, które powinny generować silne echo radarowe. Taki sposób prezentowania kształtu obrazu radarowego pozwala na łatwiejszą identyfikację obiektów strefy brzegowej. Na otwartym morzu tekstura nie ma większego znaczenia. Należy oczekiwać, że w miejscu wzniesień na obrazie radarowym znajduje się obiekt generujący echo radarowe. elevation in the radar display represent objects generating radar echo. The properties of the material were chosen according to the following criteria: it must emit its own light, in the case of ambient and diffused light it must reflect mainly blue light, absorb all reflected specular light and under no conditions can it be glossy. Właściwości materiału określono w ten sposób, żeby emitował własne światło, dla świateł otoczenia i rozproszonego odbijał głównie światło niebieskie, absorbował całe światło odbłysków i w żadnych warunkach nie był lśniący. W tabeli poniżej przedstawiono ustalone parametry modelowania właściwości materiału. Tabela 1. Właściwości materiału pokrywającego powierzchnię dna morskiego Table 1. Properties of material covering sea bottom surface Właściwość materiału Properties of material Odbijanie światła otoczenia Reflecting ambient light Rozpraszanie światła padającego Diffusing surface striking light Intensywność światła emitowanego Intensity of emitted light Intensywność światła odbłysków Intensity of specular light Stopień połyskliwości Degree of gloss Składowe koloru 32-bitowego Components of 32-bit color Czerwony Red Zielony Green Niebieski Blue (LIV) 109

110 Mariusz Wąż, Krzysztof Naus Modelowanie oświetlenia Modelowanie oświetlenia polega na określeniu trzech różnych rodzajów światła [1, 3, 6]: Modeling lighting Modeling lighting consists in determining three different kinds of light [1, 3, 6]: otaczającego (ambient), padającego jednakowo na wszystkie powierzchnie ze wszystkich kierunków; rozproszonego (diffuse), którego promienie rozchodzą się równomiernie we wszystkich kierunkach z jednego punktu; odbłysku (specular), odbijającego się od powierzchni w sposób lustrzany. Właściwości globalnego światła otoczenia ustala się, określając jego intensywność składowymi koloru RGB. Natomiast właściwości światła rozproszonego ustala się, podając parametry przyjętego w modelu pojedynczego światła pozycyjnego. Parametrami tymi są: współrzędne pozycji źródła światła, wektor padania światła, właściwości światła pozycyjnego (tj. intensywność, stopień skupienia, stała tłumienia, wielkość, tłumienie liniowe i kwadratowe). Zobrazowywanie wielowymiarowe obrazu radarowego Zobrazowanie na ekranie monitora wymodelowanej trójwymiarowej powierzchni obrazu radarowego, a ściślej powierzchni reprezentującej napięcia ambient light, striking uniformly all surfaces from all directions; diffuse light, whose rays travel uniformly in all directions from one point; specular light, reflecting from the surface as from a mirror. The properties of global ambient light are set by determining its intensity with components of RGB color. The properties of diffuse light are set by giving parameters of the single position light adopted in the model. These parameters are: position coordinates of light source, light striking vector, properties of position light (i.e. intensity, degree of concentration, damping constant, linear and square damping magnitude). Displaying a 3D radar image Displaying a modeled, three dimensional surface of a radar image on a screen, to be more precise a surface representing voltages of a radar visual signal, in a dynamic perspective representation, is done for specific projection parameters and camera movement parameters. These parameters are: position of (camera) observer in (195)

111 Zeszyty Naukowe AMW Scientific Journal of PNA radarowego sygnału wizyjnego w dynamicznym odwzorowaniu perspektywicznym, realizowane jest dla określonych parametrów rzutowania oraz parametrów ruchu kamery. Parametrami tymi są: pozycja obserwatora (kamery) względem geocentrycznego układu odniesienia opisana współrzędnymi ortokartezjańskimi, orientacja kamery opisana kątami orientacji przestrzennej: przechylenia, pochylenia i odchylenia, prędkość i kurs przemieszczającej się kamery. Zaletą takiego zobrazowania jest to, że operator może dowolnie obracać zobrazowanie we wszystkich kierunkach. Kamera może zbliżać się do każdego elementu zobrazowania radarowego i dokonywać jego analizy z dowolnego punktu obserwacji. Należy operować wówczas kątami pochylenia, obrotu oraz wysokością kamery nad poziomem morza. geocentric reference system described with orto-cartesian coordinates, camera orientation described with spatial orientation angles: tilt, inclination and deflection, speed and course of moving camera. The advantage of such a display are that an operator can rotate the display in all directions. He can use the camera to close up on each and every element of the radar display and analyze it from any point of observation. Doing this, it is necessary to make use of inclination and rotation angles, and elevation of camera above the sea level. Rys. 4. Przykładowe wizualizacje wielowymiarowego zobrazowania radarowego Fig. 4. Examples of radar 3D displays 2013 (LIV) 111

112 Mariusz Wąż, Krzysztof Naus Na potrzeby opisywanego projektu badawczego wykorzystywano także wspomnianą bibliotekę DirectX. Proces tworzenia obrazów 3D w tej technologii jest analogiczny jak w przypadku OpenGL. Poniżej zaprezentowano etapy tworzenia takiego zobrazowania. W pierwszej kolejności powstała regularna siatka trójkątów, na którą naniesiono teksturę bitmapy obrazu radarowego zarejestrowanego za pomocą specjalizowanej karty PC RadarKit. For the purposes of the research project the already mentioned library DirectX was used. The process of generating 3D images in this technology is analogues to that of OpenGL. Below are the stages of generating such a display. First a regular grid of triangles was created. Then the specialized PC RadarKit card was used to superimpose the radar image bitmap texture on the grid. Rys. 5. Obraz radarowy przedstawiony jako regularna siatka trójkątów oraz po nałożeniu tekstury Fig. 5. Radar display presented as a regular triangle grid and after superimposition of texture Źródło / Source: M. Wąż, 3D Picture display for navigation radar, Annual of Navigation, 2006, No 11; M. Wąż, K. Naus, Trójwymiarowa wizualizacja informacji radiolokacyjnej, Logistyka, 2011, No 6, pp (3D display of radar data available only in Polish); M. Wąż, T. Stupak, Amplitude detection of weak radar signal, Barcelona 5th The International Congress on Maritime Technological Innovations and Research Barcelona, 2007; M. Wąż, T. Stupak, A. Szklarski, Multidimensional presentation of radar image. Advances in marine navigation and safety of sea transportation, ed. A. Weintrit, Gdynia Maritime University, Reprezentacje trójwymiarowych obrazów radarowych zbudowanych w tych technologiach są porównywalne, co dowodzi szerokich możliwości zamiennego stosowania do tych celów obu dynamicznych bibliotek. Representations of 3D radar images built with these technologies are comparable, which proves the wider possibilities of using both these two libraries interchangeably for these purposes (195)