ZESZYTY NAUKOWE NR 6(78) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 6(78) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE Stefan Jankowski I N Ż Y N I E R I A R U C H U M O R S K I E G O Błąd kursu w pilotowych systemach nawigacyjnych: przenośnym i stacjonarnym Słowa kluczowe: pns, błąd, kurs, gps. Pokazanie sylwetki statku na ekranie mapy elektronicznej wymaga znajomości jego pozycji oraz kursu. Przedstawiono eksperyment mający na celu określenie dokładności kursu rzeczywistego statku wyznaczanego przez urządzenia wchodzące w skład pilotowych systemów nawigacyjnych: stacjonarnego i przenośnego. W szczególności przebadano żyrokompas oraz kompas GPS. Wyniki zweryfikowano za pomocą kursu wyznaczonego przez dwa odbiorniki RTK. Heading Error in Pilot Navigation Systems: Portable and Stationary Keywords: pns, heading, error, gps. The vessel s position and its heading are necessary to display its shape on an electronic chart. This paper describes an experimenal determination of heading accuracy. There are two types of pilot navigation systems: stationary and portable, and they may use various sources of heading data. Particularly a gyrocompass and GPS compass were tested and verified by the heading determined by two RTK receivers.

2 Stefan Jankowski Wstęp W pilotowych systemach nawigacyjnych niezbędny jest pewien komplet danych, dzięki któremu możliwe jest właściwe pozycjonowanie sylwetki statku na mapie elektronicznej [2]. Do tego zestawu danych niewątpliwie należy kurs rzeczywisty statku. Istotne znaczenie ma wobec tego poznanie błędów, z jakim kurs ten będzie wyznaczany, a tym samym z jaką dokładnością będzie wyświetlana sylwetka statku. W zależności od rozwiązania technicznego pilotowego systemu nawigacyjnego kurs rzeczywisty statku można otrzymywać z następujących źródeł: żyrokompasu, zestawu dwóch odbiorników DGPS, dwuantenowego odbiornika DGPS, tzw. kompasu GPS. Ze względu na sposób wykorzystywania pilotowych systemów nawigacyjnych można podzielić je na stacjonarne i przenośne. Systemy stacjonarne są dedykowane dla konkretnego statku i stanowią stały element wyposażenia jego mostka nawigacyjnego. Systemy takie przewidziane są dla statków często zawijających do konkretnych portów, których kapitanowie posiadają uprawnienia pilotowe. Charakteryzują się tym, iż wykorzystują statkowe urządzenia takie jak: żyrokompas, odbiornik DGPS, wiatromierz itp., a więc nie ma potrzeby instalowania dodatkowych urządzeń. Systemy przenośne przeznaczone są natomiast dla pilotów, którzy wchodzą na statek, aby go wprowadzić i zacumować, bądź też wyprowadzić z danego portu. Systemy takie muszą być wyposażone we własne urządzenia pozycjonowania i wyznaczania kursu rzeczywistego. Ich podstawową zaletą jest możliwość przeniesienia go w dowolne miejsce, jak np.: otwarte skrzydło mostka nawigacyjnego. 1. Poligon badawczy W trakcie badań nad pilotowym systemem nawigacyjnym dla portów Szczecin i Świnoujście przeprowadzono szereg badań mających na celu ustalenie dokładności oraz błędów, jakich można się spodziewać przy pozycjonowaniu sylwetki statku na mapie elektronicznej. Jednym z elementów tego zadania było badanie dokładności kursu rzeczywistego statku. Zostało one przeprowadzone podczas manewrowania na tych akwenach promu morskiego m/f Jan Śniadecki. W trakcie badania statek wykonywał standardowe manewry wejścia i wyjścia oraz próby morskie takie, jak np. cyrkulacje i próby wężowe. Jako wzorzec kursu wykorzystano technologię RTK. Stację bazową postawiono w pobliżu główek wejściowych do portu Świnoujście tak, że swoim zasięgiem pokrywała cały port Świnoujście oraz redę portu w odległości do 10 km. 164

3 Błąd kursu w pilotowych systemach nawigacyjnych Anteny odbiorników GPS RTK umieszczono na pokładzie pelengowym, prostopadle do osi symetrii statku w odległości metra (rys. 1). Rys. 1. Położenie anten RTK na pokładzie pelengowym Na podstawie pozycji uzyskiwanych z dwóch odbiorników RTK, rejestrowanych z częstotliwością 1 Hz, wyliczano kurs rzeczywisty statku. Błąd tak określonego kursu nie przekracza 0.15º. Równocześnie z taką samą częstotliwością rejestrowano wskazania żyrokompasu oraz kurs rzeczywisty podawany przez dwuantenowy odbiornik DGPS Vector firmy CSI Wireless, który będzie wykorzystywany do pozycjonowania sylwetki statku w przenośnych pilotowych systemach nawigacyjnych Żyrokompas Żyrokompas jest sprawdzonym urządzeniem, który od kilkudziesięciu lat pomaga nawigatorom w określaniu kierunków geograficznych. Błędy instrumentalne żyrokompasów, podawane przez różnych producentów, nie przekraczają 0.5º. Jednakże podczas przemieszczania się żyrokompasu działają na niego siły, które powodują powstanie tzw. dewiacji prędkościowej (1). Odchyłka ta rośnie wraz ze wzrostem prędkości i jest największa na kursach północnych i południowych: gdzie: V dewiacja prędkościowa, KR kurs rzeczywisty, R średni promień Ziemi, prędkość obrotowa Ziemi, szerokość geograficzna. V KR tg cos V R cos V sin KR (1) 165

4 Stefan Jankowski Dewiacja szybkościowa [ş] [ş] 2,5 1,5 0,5-0, Prędkość statku statku [w] [w] Rys. 2. Dewiacja prędkościowa na szerokości geograficznej 53 N Współczesne żyrokompasy mają w większości możliwość redukcji tego odchylenia w sposób automatyczny lub też ręczny. Prom Jan Śniadecki wyposażony jest w żyrokompas firmy Sperry MK-37E, posiadający ręczną możliwość korekty kursu rzeczywistego poprzez wprowadzenie prędkości i szerokości geograficznej (rys. 3) Dwuantenowy odbiornik DGPS Rys. 3. Panel sterujący żyrokompasu W przenośnym pilotowym systemie nawigacyjnym praktycznie nie ma możliwości wykorzystania żyrokompasu statkowego, ponieważ na większości statków nie ma odpowiedniego interfejsu do połączenia się z systemem statkowym. Dlatego jako źródło pozycji statku oraz jego kursu rzeczywistego zastosowano kompas GPS Vector OEM firmy Csi Wireless. W skład urządzenia wchodzą dwa sprzężone ze sobą dwunastokanałowe odbiorniki GPS, dwie zintegrowane anteny z możliwością odbioru poprawek różnicowych ze stacji naziemnych (przybrzeżny DGPS) oraz satelitarnych (EGNOS), odbiornik poprawek różnicowych oraz urządzenia dodatkowe: żyrokompas i kompas magnetyczny. Częstotliwość uaktualniania pozycji do 5 Hz, natomiast kurs rzeczywisty może być wyznaczany do 10 razy na sekundę. Zgodnie z informacjami od producenta dokładność wyznaczania kursu rzeczywistego zależy od odległości między antenami i wynosi 0.25º, przy separacji anten 0.5 m do 0.1º dla odległości 2 m. 166

5 Błąd kursu w pilotowych systemach nawigacyjnych Urządzenie zostało przetestowane na tym samym akwenie przy następujących konfiguracjach anten i źródła poprawek różnicowych (rys. 4): położenie anten względem osi symetrii statku: równoległe, prostopadłe; odległość między antenami: 0.5 m, 1.0 m, 2.0 m; źródło poprawek różnicowych: radiolatarnia Dziwnów, EGNOS. Rys. 4. Rozmieszczenie anten kompasu GPS 2. Analiza dokładności kursów rzeczywistych Błędy kursu rzeczywistego mają istotny wpływ na umiejscowienie sylwetki statku na mapie elektronicznej. Może to być widoczne zwłaszcza podczas manewru cumowania, gdy wskazania systemu pilotowego można skonfrontować z rzeczywistością. Błędy we wskazaniach odległości do nabrzeża w obszarze rufy i dziobu w dużej mierze zależą od długości statku oraz od względnego położenia anteny [3]. Punkt obrotu sylwetki statku znajduje się w pozycji odbiornika DGPS, dlatego jeżeli antena odbiornika systemu nawigacyjnego umieszczona jest w okolicy rufy, wówczas błąd kursu będzie bardziej widoczny w punkcie A (rys. 5). Różnica s między rzeczywistą, a określoną w systemie pilotowym, odległością punktu A do nabrzeża zależy od błędu kursu rzeczywistego oraz odległości punktu A do odbiornika DGPS wzdłuż osi symetrii statku. Można ją wyznaczyć następująco: s d sin (2) gdzie: s błąd określenia odległości do nabrzeża spowodowany błędnym KR, d odległość punktów wyznaczających cylindryczną część kadłuba do odbiornika DGPS, błąd kursu rzeczywistego KR. 167

6 Stefan Jankowski Sylwetka statku na mapie elektronicznej DGPS d B A s Rzeczywista obwiednia statku Nabrzeże Rys. 5. Błąd w określeniu odległości do nabrzeża spowodowany niedokładnym kursem rzeczywistym Na rysunku 6 przedstawiono odchylenia standardowe różnic między wyznaczanymi kursami rzeczywistymi z żyrokompasu i kompasu GPS a kursem wzorcowym uzyskanym dzięki technologii RTK. Na poziomej skali znajdują się data wykonania rejestracji oraz oznaczenia wariantu konfiguracji odbiornika Vector, przy czym wartość na początku skrótu oznacza odległość między antenami, litera P lub R wskazuje odpowiednio ustawienie anten prostopadłe lub równoległe do osi symetrii statku. Natomiast ostatnia litera oznacza źródło poprawek różnicowych: D stacja referencyjna Dziwnów, E EGNOS vector-rtk gyro-rtk data I1105 I1205 O1305 I1805 O2205(cyrkulacja) I2005 O1905(cyrkulacja) O2005(cyrkulacja) O2105(cyrk+dryf) I1305 I1405 I1505(ham+akc) O1505 O1605(pr.wężowa) I1605 I1705 O1705 wariant 0.5mRD 0.5mPD 0.5mPE 1.0mRD 2.0mRD Rys. 6. Odchylenia standardowe wskazań kursów Błędy kursów w większości mieszczą się w granicach 1º, przy wariancie z poprawkami EGNOS błędy wynoszą 1.2º. Natomiast przy rozstawie anten równym 2 metry błędy kursu przekraczają wartość 5º. 168

7 Błąd kursu w pilotowych systemach nawigacyjnych Współczynniki korelacji vector-rtk rtk-gyro I1105 I1205 O1305 I1805 O2205(cyrkulacja) I2005 O1905(cyrkulacja) O2005(cyrkulacja) O2105(cyrk+dryf) I1305 I1405 I1505(ham+akc) O1505 O1605(pr.wężowa) I1605 I1705 O mRD 0.5mPD 0.5mPE 1.0mRD 2.0mRD Rys. 7. Współczynniki korelacji Analizując współczynniki korelacji (rys. 7) można stwierdzić, iż we wszystkich przypadkach korelacja jest prawie pełna. Jedynie w wariancie z satelitarnym źródłem poprawek jest słabsza, ale w dalszym ciągu bardzo wysoka. Wnioski 1. Dokładność żyrokompasu jak również kompasu GPS jest wystarczająca dla potrzeb pilotowego systemu nawigacyjnego. Błędy kursów rzeczywistych, w 68.27% przypadków, nie przekraczają 1º dla żyrokompasu i 1.2º dla kompasu GPS. 2. W przypadku kompasu GPS najlepsze wyniki uzyskano przy odległości między antenami równej 1 m. Nieznacznie się pogarszają przy rozstawie anten 0.5 metra. Natomiast przy separacji anten powyżej 1.5 metra obserwuje się znaczny spadek dokładności kursu rzeczywistego na skutek zbyt małej częstotliwości wyznaczania kursu. Dodatkowo w trakcie normalnej eksploatacji trudno jest zachować 2-centymetrową dokładność w rozstawie anten. 3. Sposób ustawienia anten w stosunku do osi symetrii nie ma wpływu na dokładność kompasu GPS. 4. Niewielki spadek dokładności kursu występuje w przypadku zastosowania poprawek różnicowych EGNOS. 5. Przy stacjonarnym pilotowym systemie nawigacyjnym, wykorzystującym żyrokompas z ręczną korektą dewiacji szybkościowej należy pamiętać, że różnica między kursem rzeczywistym a wskazywanym przez żyrokompas może wynosić, w zależności od kursu i wprowadzonej prędkości, do kilku stopni co może przeszkadzać w sytuacjach, gdy statek manewruje z niewielką prędkością, jak na przykład podczas cumowania. 169

8 Stefan Jankowski Literatura 1. Gucma S., Nawigacja pilotażowa. Gdańsk Jankowski, S., Koncepcja kształtu sylwetki statku w pilotowych systemach nawigacyjnych. Szczecin Tomczak A., Zalewski P., Evaluation of navigation safety criteria in Swinoujscie harbour by means of GNSS technology. Amsterdam Recenzenci dr inż. Wacław Morgaś, prof. AMW prof. dr hab. inż. kpt. ż.w. Stanisław Gucma Adres Autora mgr inż. Stefan Jankowski Akademia Morska w Szczecinie Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego ul. Wały Chrobrego 1/ Szczecin stjan@am.szczecin.pl 170