Czasopismo wydawane przez Polskie Forum Nawigacyjne

Transkrypt

1

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

3 ANDRZEJ FELSKI 5 O PROBLEMIE KIERUNKU W DYDAKTYCE NAWIGACJI ARTUR CYWIOSKI 10 LASEROWE OKREŚLANIE POŁOŻENIA OBIEKTU PODWODNEGO ARTUR CYWIOSKI, PIOTR BEKIER 17 MODEL BATYMETRYCZNY MORZA BAŁTYCKIEGO DO SYMULACJI DZIAŁAO OKRĘTÓW W OPARCIU O ZASOBY INTERNETOWE ANDRZEJ FELSKI, PIOTR KASJANIUK 26 HISTORIA KOMPASU SATELITARNEGO UMECKI DOMINIK, KRZYSZTOF NAUS 37 GENEROWANIE UTAJNIONEJ DEPESZY SYSTEMU AIS PIOTR BEKIER, DARIUSZ SZULC 47 ZASIĘGI DETEKCJI OBIEKTÓWPODWODNYCH Z WYKORZYSTANIEM PASYWNYCH SYSTEMÓW HYDROAKUSTYCZNYCH SYLWIA KACZMARCZYK, KRZYSZTOF NAUS 54 INTERNETOWY SERWIS INFORMACJI HYDROMETEOROLOGICZNEJ STANISŁAW KOŁACZYOSKI, ARTUR CYWIOSKI 62 ANALIZA WIDMOWA WODY DLA POTRZEB LASEROWEGO OKREŚLANIA POŁOŻENIA OBIEKTU PODWODNEGO 3

4 Spis treści FRANCZAK DAWID, KRZYSZTOF NAUS 71 GENERALIZACJA DANYCH PRZESTRZENNYCH PRZY WYKORZYSTANIU ALGORYTMU DOUGLASA PEUCKERA 4

5 F O R U M N A W I G A C J I W I O S N A Andrzej Felski Akademia Marynarki Wojennej O problemie kierunku w dydaktyce nawigacji W artykule rozważane są aspekty dydaktyczne związane z nauczaniem pojęć związanych z definiowaniem i rozumieniem pojęcia kierunku w nawigacji. Przedstawiono propozycje nowego sposobu objaśniania zagadnienia. WSTĘP Kanonem dydaktyki jest odwołanie się do znanych pojęć lub zdefiniowanie zasadniczych pojęć, których będziemy używać w dalszej części wykładu, jeśli wcześniej student ich nie poznał. Z tego powodu w większości podręczników nawigacji w rozdziałach początkowych występują treści dotyczące podstawowych wiadomości o Ziemi, jednostek miar, współrzędnych geograficznych itd. Jednym z pojęć, które w tym miejscu definiujemy jest kierunek. Termin powszechnie używany, nie tylko w nawigacji, ale i w codziennym życiu. Wydawałoby się, że nic prostszego, nawet może pojawić się pytanie, po co definiować pojęcie stosowane na co dzień. Niestety praktyka okazuje się trudniejsza, a sprowadza się do tego, iż z reguły nawet doświadczeni praktycy nie tylko nie potrafią zdefiniować tego pojęcia, ale w codziennym życiu uciekają od niego posługując się synonimami. Bywa też, że definiujemy ten termin odwołując się do niego samego. Sytuacja taka sama w sobie nie powoduje istotnych zagrożeń w praktyce. Posługując się wartością kursu, kąta kursowego lub namiaru potrafimy jednoznacznie przekazać swoje intencje. Jednakże w działalności dydaktycznej nie powinniśmy stosować uników zwłaszcza, gdy omawia się ten właśnie temat. Na pewno powinniśmy przekazywać definicji jednoznaczne, adekwatne do poziomu przygotowania słuchaczy i do poziomu ich wiedzy odwołujące się. Dlatego w niniejszym tekście zamierzam przedstawić propozycję interpretacji tego zagadnienia adekwatnie do wiedzy, jaką wynoszą studenci ze szkoły średniej. CO ZNAJDUJEMY W PODRĘCZNIKACH? W najpopularniejszym polskim podręczniku nawigacji morskiej definiując kierunek napisano: pod ogólnym pojęciem kierunku rozumie się linię prostą przechodzącą przez dwa punkty, bez uwzględnienia odległości pomiędzy nimi. W nawigacji morskiej określa się go za pomocą kąta zawartego między kierunkiem odniesienia, którym jest zwykle północ geograficzna, a kierunkiem danej linii, na której znajduje się interesujący nas obiekt. Dlatego pojęcie kierunek, w zależno- 5

6 Andrzej Felski ści od kontekstu, w jakim on występuje, może oznaczać linię prostą lub też kąt zawarty pomiędzy kierunkiem (linią) odniesienia a kierunkiem danej linii prostej [Urbański i inni, 2000]. Podstawowe pytanie, jakie w takim wypadku zadaje dociekliwy student brzmi: to jak mam odpowiadać na egzaminie? Kierunek to prosta czy kąt? A dalej to jak to jest: czy kierunek to jest kąt pomiędzy dwoma kierunkami, którymi są prosta leżąca w płaszczyźnie południka i prosta przechodząca przez znak nawigacyjny? Pamiętajmy, że pomimo niskiego poziomu nauczania matematyki w szkołach średnich, na co powszechnie narzekamy, na studia przychodzą młodzi ludzie, którzy odebrali podstawy wykształcenia matematycznego, znają podstawy geometrii i często zdarzają się tacy, którzy potrafią precyzyjnie i logicznie myśleć. Zainspirowany tego rodzaju pytaniami studentów sprawdziłem, co piszą na ten temat inni autorzy. W podręcznikach amerykańskich omija się ten temat nie definiując pojęcia kierunku w ogóle [Hobs, 1990], [Maloney, 1985], pojawia się on, jako coś tak oczywistego, jak prędkość czy odległość. Niemniej, w traktowanym przez niektórych jak biblia nawigacji [Bowditch 2002] znajdziemy stwierdzenie (dziwnie znajome), że kierunek oznacza położenie jednego punktu względem drugiego bez względu na odległości pomiędzy nimi. Bardzo podobnie ujmuje problem inny polski podręcznik [Jurdziński, 2003]. I dalej w Bowditchu znajdujemy: w nawigacji kierunek jest wygodnie wyrażać jako kąt względem kierunku odniesienia, za który przyjmujemy zazwyczaj północ lub kurs okrętu. Zwróćmy uwagę kierunek oznacza położenie punktu względem innego. Czyż nie tak rozumiemy kierunek wskazując, na przykład ręką obiekt na horyzoncie i wyjaśniając, na przykład słowami o tam, w tym kierunku. Autorzy rosyjscy, na przykład *Leskow i inni, czy *Kaługin i inni, również nie definiują kierunku ograniczając się do wyjaśnienia, że przyjęto wyrażad kierunek kątem leżącym w płaszczyźnie horyzontu i liczonym w prawo od południka rzeczywistego. Ciekawe, że Leskov ze współautorami nie wyjaśniają, do czego ten kąt ma byd mierzony. Kaługin i współautorzy dodają do podobnej definicji, iż kąt ten jest zawarty pomiędzy płaszczyzną południka rzeczywistego i płaszczyzną pionową przechodzącą przez znak nawigacyjny. Myśląc precyzyjnie powinniśmy zwrócid uwagę, że przez znak nawigacyjny przechodzi nieskooczenie wiele płaszczyzn pionowych. Autorzy zapomnieli dodad, że płaszczyzna ta powinna przechodzid także przez obserwatora. Aby nie wpadać w kompleksy z powodu poziomu wykładu w podręcznikach nawigacji morskiej dodam, że w nielicznych, znanych mi podręcznikach nawigacji powietrznej panuje podobny poziom. Zauważmy też dla porządku, że autorzy pochodzący z Austrii [Hofmann i inni, 2003] w ogóle nie zajmują się tym problemem zakładając, że skoro przedstawiają wszystkie swoje przemyślenia za pomocą aparatu matematyki wektorowej, to oczywiście czytelnik musi tak trywialne kwestie jak pojęcie kierunku rozumieć. Trochę niezręcznie jest stwierdzić, że najlogiczniej wypada definicja zawarta w popularnym podręczniku dla amatorów żeglarstwa [Czajewski, 1986]. 6

7 O problemie kierunku w dydaktyce nawigacji Kierunek na morzu jest tam definiowany, jako linia prosta przechodząca przez punkt, w którym znajduje się obserwator i punkt, ku któremu zmierza statek, lub w którym znajduje się obiekt obserwacji. Kierunek ten określa się za pomocą kąta, jaki go dzieli od innego kierunku, uznanego za kierunek odniesienia. Kierunkiem odniesienia bywa najczęściej północna część linii N-S, czyli stycznej do południka w miejscu obserwatora. PROPOZYCJA Po tak surowej krytyce innych należałoby przedstawić propozycję rozwiązania problemu. Zacznijmy więc od stwierdzenia, które wskazuje Czajewski, ale również pojawia się w Bowditchu kierunek oznacza w istocie prostą. Prosta ta przechodzi przez punkt, w którym my się znajdujemy i przechodzi przez drugi punkt, którym najczęściej jest znak nawigacyjny lub inny obiekt, który w ten sposób chcemy wskazać. Zwróćmy uwagę no to, że w skali mapy te obiekty sprowadzamy do punktu. Spostrzegawczy czytelnik powinien zwrócić uwagę, że definicja powinna obejmować także kierunek ruchu okrętu, który jest wyznaczony na punkt wirtualny, bowiem zwykle wyrażony tylko we współrzędnych. Nie zmienia to jednak faktu, iż jest to również punkt. Myśląc precyzyjnie powinniśmy też zwrócić uwagę na to, że przez dwa punkty przechodzi tylko jedna prosta, jednak nie przekazujemy w ten sposób istotnej informacji o tym skąd ten kierunek ma być wskazywany. Jeśli posługujemy się prostą to informacja jest dwuznaczna. W istocie chodzi nam bowiem nie o prostą lecz o półprostą, która wychodzi z punktu oznaczającego obserwatora (okręt) i przechodzi przez wybrany punkt oznaczający znak nawigacyjny, dowolny obiekt, czy wreszcie punkt zwrotu. Taka linia skierowana jednoznacznie oznacza kierunek. Podobnie linia odniesienia, często definiowana, jako północna połówka południka, albo linia skierowana na biegun północny nie jest prostą, lecz półprostą! Idąc dalej, warto odnieść się do podstaw geometrii analitycznej, wedle której zarówno prostą jak i półprostą możemy opisać dwoma punktami, przez które linia ta przechodzi. Taż sama geometria analityczna daje opis prostej w postaci kierunkowej, a więc poprzez zdefiniowanie punktu i kąta kierunkowego, mierzonego od kierunku odniesienia do wyznaczanej półprostej (prostej). Przecież ten kąt to nic innego niż powszechnie stosowane namiary lub kursy. W ten sposób wszystko staje się logiczne, spójne i proste. Nie mogę w tym miejscu pominąć kolejnego problemu, który wedle moich wieloletnich obserwacji, sprawia wielkiej grupie studentów trudności. Jest to filozofia wyznaczania kierunków w odniesieniu do kompasu magnetycznego. Nie jest przy tym ważne, czy rzecz idzie o kursy czy namiary. Studenci wynoszą ze szkoły podstawowej przeświadczenie, że przy określaniu kąta kierunek odniesienia jest czymś nienaruszalnym, zaś zmieniać się może drugie ramię wyznaczanego kąta. Nie dość dobitnie tłumaczymy, że jakiego rodzaju kursu (namiaru) nie wyznaczymy, zawsze będzie się on odnosił do kursu, czyli orientacji diametralnej okrętu (w przypadku namiarów tej samej linii namiaru przechodzącej przecież zawsze 7

8 Andrzej Felski przez ten sam znak nawigacyjny). Tak więc bez względu na to, czy rzecz idzie o kurs magnetyczny, kompasowy czy rzeczywisty jednym ramieniem kąta zawsze jest półprosta pokrywająca się z diametralną okrętu. To półprosta, od której wyznaczamy kurs się zmienia, odwrotnie niż uczono na matematyce. Oczywiście są to dla fachowca prawdy oczywiste, jednak wydaje mi się, że problem zrozumienia tych zagadnień przez studentów tkwi w zmianie podświadomego przeświadczenia wyniesionego z wcześniejszych etapów nauczania, że jeśli wyznaczamy podobne wielkości, to wyznaczamy je od tej samej wartości początkowej, podczas gdy tym razem chodzi o kąt, który sięga tej samej linii, ale każdorazowo od innej linii zaczynamy pomiar. Oczywiście w każdym podręczniku jest to wyraźnie narysowane. Zapewne problem tkwi w praktyce nauczania, gdyż zazwyczaj podajemy definicję, zwracamy uwagę na rysunek i przechodzimy do obliczeń. Zresztą w większości przypadków studenci potrafią te proste działania algebraiczne wykonać poprawnie. To, o czym piszę sprowadza się do rozumienia zagadnienia i najprawdopodobniej wymaga jednoznacznego zwracania uwagi na specyfikę, to znaczy na jednoznaczne zwrócenie uwagi, że to kierunki odniesienia są inne przy wyznaczaniu kursu magnetycznego czy kompasowego, jednak zawsze każdy z tych kątów oparty jest o kierunek diametralnej okrętu. LITERATURA [1] American Practical Navigator (Bowditch). NIMA, Bethesda [2] Czajewski J.: Nawigacja żeglarska.wkił, Warszawa [3] Hobs R. R.: Marine Navigation.Naval Institute Press, Anapolis [4] Hofmann-Vellenhof B., Legat K., Wieser M.: Navigation. Principles of positioning and Guidance. Springer, Wien, New York [5] Jurdziński M.: Podstawy nawigacji morskiej. Fundacja Rozwoju WSM, Gdynia [6] Kaługin G. P., Bescastnych V. P., Timofeev I. A., Ermolin JU., K.: Osnovy morskogo sudovożdenia. Transport, Moskva [7] Leskov M. M., Baranov Ju. K., Gavrjuk M. I.: Navigacja. Transport, Moskva, [8] Maloney E. S.: Dutton s Navigation and Piloting. Naval Institute Press, Annapolis [9] Urbański J., Kopacz Z., Posiła J.: Nawigacja morska. AMW, Gdynia

9 O problemie kierunku w dydaktyce nawigacji The direction problem in teaching navigation Some didactic aspects of teaching the basic navigation definitions, especially the direction are discussed in the article. A proposal of the new manner of the interpretation of the problem is given. Recenzent: dr hab. inż. Cezary Specht 9

10 Artur Cywioski Akademia Marynarki Wojennej F O R U M N A W I G A C J I W I O S N A LASEROWE OKREŚLANIE POŁOŻENIA OBIEKTU PODWODNEGO W artykule zaprezentowano wybrane zagadnienia dotyczące techniki laserowej wykorzystywanej do wykrywania i określania położenia obiektów podwodnych. Scharakteryzowano obecnie istniejące lotnicze systemy laserowe pracujące na rzecz poszukiwania i określania położenia obiektów podwodnych. Ze względu na zmienność warunków hydrometeorologicznych panujących nad morzem, przedstawiono podział oraz omówiono najważniejsze czynniki wpływające na laserowe poszukiwanie obiektów podwodnych. Przedstawiono graficzny schemat wyznaczania głębokości obiektu podwodnego oraz obliczenia jego głębokości w oparciu o posiadane parametry położenia nosiciela dalmierza laserowego. Scharakteryzowano pokrótce czynniki, które mają istotny wpływ na dokładność laserowego pomiaru głębokości obiektów podwodnych. TECHNIKA LASEROWA NA MORZU W ostatnich 15-stu latach obserwuje się zwiększone zainteresowanie wykorzystaniem wiązki laserowej do penetracji środowiska wodnego. Związane jest to z możliwością wykorzystania promieniowania laserowego do zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi morskiej, gdzie dodatkowo pojawiają się zagrożenia związane z obiektami podwodnymi. Źródłem tych zagrożeń są swobodnie dryfujące obiekty pływające na powierzchni i bezpośrednio pod nią, w śród nich kontenery, często gubione przez statki, jak również obiekty będące wynikiem celowej działalności człowieka. Do tej drugiej grupy zaliczyć można niebezpieczeństwa wynikające z użycia uzbrojenia. W rejonach konfliktów zbrojnych mogą być to okręty podwodne, różnego rodzaju podwodne aparaty pływające, jak również miny kotwiczne czy też pozostawione miny dryfujące. Niebezpieczeństwo tego typu wystąpić może jednak na szlakach wodnych oddalonych daleko od rejonów działań wojennych, gdyż dryfujące miny przemieszczać się mogą w sposób niekontrolowany. Innym poważnym zagrożeniem nasilającym się w ciągu ostatnich dziesięcioleci jest terroryzm morski, w wyniku którego użyta być może również broń podwodna. 10

11 Laserowe określanie położenia obiektu podwodnego Poszukiwanie niebezpiecznych obiektów podwodnych, jakimi są np. miny morskie, wiąże się z koniecznością angażowania w takich działaniach dużych sił i środków. Powoduje wzrost kosztów takich akcji, a dodatkowo jest bardzo czasochłonne i w dużej mierze uzależnione od warunków pogodowych. Wszystkie współcześnie działające laserowe systemy do określania głębokości akwenów i poszukiwania obiektów podwodnych, w swoich nawet najbardziej skomplikowanych konstrukcjach, wykorzystują laser, który jako element aktywnym pracuje w konfiguracji dalmierza. Dalmierz laserowy jest urządzeniem aktywnym wykorzystujący laser jako źródło promieniowania. Zasada jego pracy jest zbliżona do funkcjonowania konwencjonalnego radaru pozwalającego określić odległość do wykrytego obiektu. Dotychczas dalmierze laserowe pozwalały na pomiar do jednostek pływających, do wyznaczonych dozorów, pomiar do linii brzegowej (dla potrzeb desantu morskiego), pomiar do obiektów nabrzeżnych, pomiar do celów powietrznych czy pomiar do wytrysków wody powstałych od upadku pocisków artylerii własnej (korygowanie ognia). Współcześnie termin laserowej techniki dalmierczej znacznie się poszerzył i oprócz klasycznych dalmierzy laserowych z odbiorem bezpośrednim, obejmuje także zaawansowane systemy typu LIDAR (Light Detection and Ranging). Ogromną zaletą promieniowania laserowego jest możliwość jego propagacji przez granicę ośrodków o różnej gęstości bez większych strat. Własności tej nie posiadają fale akustyczne, które jako źródło informacji stosowane w echosondach czy stacjach hydroakustycznych, nie przenikają przez granicę ośrodków woda powietrze, czy powietrze woda. Ta zaleta promieniowania laserowego pozwala na penetrację środowiska wodnego z powietrza, np. laserem umieszczonym nad powierzchnią wody na burcie okrętu lub na pokładzie samolotu, czy śmigłowca. Takie rozwiązanie rewolucjonizuje szybkość w pozyskiwaniu danych z określonego rejonu i przeszukiwaniu określonych akwenów wodnych, a także łatwość pozyskiwania danych z rejonów niedostępnych dla statków z różnych względów, również bezpieczeństwa. Dodatkowym atutem stosowania systemów laserowych jest niewielki czas mobilizacji sprzętu oraz możliwość wykonywania pomiarów topograficznych (np.: tachimetria wydm czy brzegów). Choć laserowe systemy penetrujące środowisko wodne stanowią jedną z młodszych generacji urządzeń optoelektronicznych, uwidacznia się obecnie ich podział na dwie zasadnicze podgrupy. Pierwsza to lidary, służące do pomiarów głębokości badanych akwenów i do odwzorowania dna (systemy pomiarów batymetrycznych), uzyskując dane niezbędne do tworzenia podwodnych map terenu. Drugą stanowią systemy do poszukiwania 11

12 Artur Cywiński i wykrywania obiektów podwodnych (głównie min kotwicznych i okrętów podwodnych). W chwili obecnej w różnych rejonach świata działają już systemy laserowe, które służą do pomiarów głębokości badanych akwenów wodnych i odwzorowania dna. Pozwalają one na zbieranie danych niezbędnych do tworzenia podwodnych map terenu, jak również pozwalają na wykrywanie obiektów podwodnych. Niektóre z nich, choć wyszły z fazy prób, wciąż są modernizowane, ulepszane i wyposażane w nowsze metody transmisji i obróbki danych. Do najważniejszych, obecnie pracujących, zaliczyć można: systemy pomiarów batymetrycznych: LADS Mk II, Larsen 500; SHOALS [1],[2]; systemy wykrywania obiektów podwodnych: Hawk-Eye, SHOALS, Magic Lantern, ALMDS (Airborne Laser Mine Detection System), LLSS (Laser Line Scan System) [3]; systemy wykrywania i zwalczania min: RAMICS (Rapid Airborne Mine Clearance System) [3]. Podstawowe dane wybranych laserowych systemów batymetryczny przedstawiono w tablicy nr 1. Tab. 1: Wybrane parametry laserowych systemów pomiarów batymetrycznych. Parametr Larsen SHOALS Hawk-Eye LADS MK II Kraj pochodzenia Kanada USA Szwecja Australia Nosiciel samolot helikopter helikopter samolot Prędkośd nominalna [m/s] 67 zmienna Wysokośd operacyjna [m] Częstotliwośd sondowania [Hz] Rozmiar siatki [m] Szerokośd sondowanego pasa [m] 270 max. 85% wys. max. 85% wys. 240 Zakres głębokości [m] ,5 70 Dokładnośd pomiaru [m] ±5 standard IHO ±3 standard IHO Dokładnośd pozycjonowania [m] ±5 ±4 ±3 ±5 12

13 Laserowe określanie położenia obiektu podwodnego CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA ZASIĘG LASEROWEGO POMIARU ODLEGŁOŚCI Na podstawie analizy dostępnej literatury przedmiotu [4], [5], [6], [7], [8] i przeprowadzonych badań własnych [1], [9], [10], dostrzec można szereg czynników mających wpływ na możliwości poszukiwania i określania położenia obiektu znajdującego się pod powierzchnią wody. Wyróżnić można cztery zasadnicze grupy tych czynników: parametry układu laserowego, metody poszukiwania obiektu podwodnego, cechy obiektu oraz parametry środowiska w jakim znajduje się obiekt. Głównymi parametrami układu laserowego, pracującego jako dalmierz, mającymi wpływ na określenie położenia obiektu podwodnego będą: w układzie nadajnika laserowego: energia impulsu sondującego, czas trwania impulsu, długość fali promieniowania, kąt rozbieżności wiązki; w układzie odbiornika: parametry optyki odbiorczej, parametry fotodetektora, parametry toru wzmacniacza. Przy doborze metody poszukiwania i wiążącej się z tym liniowego lub przestrzenny rodzaj skanowania, istotny jest także dobór właściwej metody detekcji sygnału echa. Możliwe jest tutaj użycie metody z bezpośrednim (niekoherentnym) odbiorem sygnału echa, metodę koherentną (modulacji kodowej), metodę sumowania impulsów echa czy metodę detekcji podszumowego sygnału echa (statystyczną). Rozpatrując obiekt podwodny, o jego wykryciu i określeniu położenia decydować będzie głębokość zanurzenia, wielkość obiektu, współczynnik odbicia światła od obiektu, parametry ruchu obiektu. Ostatnią grupę stanowią parametry środowiska wodnego (wody morskiej). W odróżnieniu od parametrów układów laserowych, czy metod poszukiwania, parametry środowiska wodnego są takim zbiorem w procesie poszukiwania, który jest niezmienny lub zmienia się powoli z punktu widzenia mijającego czasu i rozwoju techniki, i w żaden sposób od nich nie zależny. Tak więc, oddziaływanie na ten parametr nie jest możliwe na drodze postępu technicznego, a właściwości wody morskiej wynikają jedynie z szeregu naturalnych procesów w niej zachodzących. W procesach tych należy dopatrywać się pewnych prawidłowości, systematyczności i cyklicznych zmian właściwości, pozwalających na matematyczny ich opis i tworzenie model. Oprócz zaprezentowanych powyżej istnieje jeszcze wiele innych czynników, które wpływają na prawdopodobieństwo wykrycia obiektu podwodnego. Przedstawione powyżej czynniki można uważać za odgrywające dominującą rolę w procesie laserowego poszukiwania i określania po- 13

14 Artur Cywiński łożenia obiektu podwodnego, choć mogą być one funkcją wielu innych zmiennych. Podział czynników na zasadnicze grupy zgodnie ze powyższym przedstawiono na rysunku nr 1. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA POSZUKIWANIE I OKREŚLENIE POŁOŻENIA OBIEKTU PODWODNEGO Parametr Parametry nadajnika laserowego Parametry odbiornika Metody poszukiwania obiektu Rodzaj skanowania Metody detekcji sygnałów echa Parametry obiektu podwodnego Parametry środowiska wodnego Rys.1: Podział czynników wpływających na laserowe poszukiwanie i określanie położenia obiektu podwodnego. 14

15 Laserowe określanie położenia obiektu podwodnego MODEL GRAFICZNY LASEROWEGO OKREŚLANIA POŁOŻENIA OBIEKTU PODWODNEGO Dysponując takimi parametrami jak: położenie głowicy lasera nad powierzchnią wody (l), kątem padania promieniowania laserowego na powierzchnię wody (γ), bezwzględnymi współczynnikami załamania światła w powietrzu i wodzie (n 1 i n 2) oraz czasem przebiegu promienia do obiektu podwodnego i z powrotem do układu laserowego, określić można głębokość obiektu podwodnego (h). Schemat zależności pomiędzy powyższymi parametrami przedstawiony w płaszczyźnie pionowej ilustruje rysunek 2. W modelu przyjęto, brak zafalowania powierzchni wody. Rys.2: Wzajemne położenie głowicy laserowej i obiektu podwodnego w płaszczyźnie pionowej. P1 pozycja śmigłowca zrzutowana na powierzchnię wody, P2 pozycja obiektu podwodnego zrzutowana na powierzchnię wody, (x1 + x2) odległość śmigłowca od obiektu podwodnego zrzutowana na powierzchnię wody. Rozwiązując układ geometryczny jak na rys.2 z uwzględnieniem prawa optyki ostatecznie głębokość obiektu h można zapisać w postaci: 15

16 Artur Cywiński t h 2 c p l c cos w sin sin 2 cos arcsin 4 n n (1) gdzie: γ kąt padania promieniowania laserowego na powierzchnię wody; θ kąt załamania promieniowania laserowego w wodzie; l wysokość lotu śmigłowca, b długość drogi wiązki laserowej w powietrzu, d długość drogi wiązki laserowej w wodzie, t czas propagacji wiązki laserowej na dodrze nadajnik obiekt odbiornik;, c p prędkość propagacji promieniowania w powietrzu; c w prędkość propagacji promieniowania w wodzie; n współczynnik załamania promieniowania na granicy ośrodków. Przedstawiony model jest modelem idealnym. Modele błędów stosowane do określania spodziewanego błędu pozycji i głębokości w laserowej metodzie określania położenia obiektów podwodnych muszą uwzględniać: błędy przechyłów bocznych i wzdłużnych nosiciela (stosowanie kompensatorów przechyłów); błędy pomiaru pozycji nosiciela (mogą wpływać dodatkowo na wyznaczenie kierunku lotu niezbędnego do opisania pozycji pomiarów oddalonych od rzutu trajektorii nosiciela na powierzchnię morza); błędy wynikające z falowania powierzchni morza jako odległości odniesienia dla pomiaru głębokości (stosowanie wiązek o dużym kącie rozbieżności oraz uśrednianie wyników od wielu pomiarów praca z częstotliwością khz). LITERATURA [1] Cywiński A., Kołaczyński S. Nie tylko akustyka, Przegląd morski 3/

17 Laserowe określanie położenia obiektu podwodnego [2] Sinclair M., Australians get on board with New Laser Airborne Depth Sounder, Sea Technology, s , VI [3] Cywiński A., Optoelektroniczne systemy wykrywania min morskich, Nauka-Innowacje-Technika, ISSN , s , Warszawa 4-5/2005 (11). [4] Dera J. Fizyka morza, PWM, Warszawa [5] Jerlov N.G., Marine optics, Elsevier Csi. Publ. Company, Amsterdam [6] Darecki M, Olszewski J. Complexity of the optical properties of Baltic Waters, Instytut Oceanologii PAN, private communication. [7] Sagan S., Transmisja światła w wodach południowego Bałtyku, Instytut Oceanologii PAN, Sopot [8] Darecki M., Weeks A., Sagan S., Kowalczuk P., Kaczmarek S., Optical characteristics of two contrasting Case 2 waters and their influence on remote sensing algorithms, Science, s , December [9] Cywiński A., Kołaczyński S., Milewski S., Aspekty użycia promieniowania laserowego do wykrywania celów podwodnych, IV Międzynarodowa Konferencja Uzbrojeniowa, Naukowe Aspekty Techniki Uzbrojenia, Waplewo X [10] Cywiński A., Ostrowski R., Wpływ środowiska wodnego na możliwość laserowego wykrycia obiektów podwodnych w rejonie działania Marynarki Wojennej RP XV Konferencji Naukowo-Technicznej nt.: Problemy rozwoju, produkcji i eksploatacji techniki uzbrojenia. WITU, ISSN , Rynia V Recenzent: dr hab. inż. Stanisław Kołaczyoski 17

18 Artur Cywioski, Piotr Bekier Akademia Marynarki Wojennej FORU M N A W I G A C J I W I O S N A MODEL BATYMETRYCZNY MORZA BAŁTYCKIEGO DO SYMULACJI DZIAŁAŃ OKRĘTÓW W OPARCIU O ZASOBY INTERNETOWE During the realization of series researches purposing the optimisation of an antitorpedo defence process of warships, it was a necessity to design the research tool to verify the received results. The simulation programme was based on a bathymetric model of south-eastern part of the Baltic Sea. During the first phase of programme design was selected an existing, numerical model of the chosen area in form of a set of bathymetrical data. Certainly, only non-commercial data were taken under consideration, what excluded explicitly the use of data coming from e.g. electronic charts. Unfortunately, the resolution of data offered non-commercially isn't enough. The solution proposed by authors to resolve this problem took place in two stages. During the first stage the originally obtained data were interpolated and during the second stage an extra correction of shoreline was carried out. An actual improvement in resolution and accuracy of bathymetric data was reached as a result of applied corrections. WSTĘP Podstawowym, niekomercyjnym źródłem informacji o batymetrii dna Morza Bałtyckiego, szeroko rozpowszechnionym i wykorzystywanym, są dane udostępnione przez Seifert & Kayser [5]. Pierwotnie opublikowane dane zostały zaktualizowane w 2001 roku ze względu na odkrycie pewnych lokalnych błędów [6]. Dla obszaru Morza Bałtyckiego utworzono regularną siatkę sferyczną, pokrywającą obszar o rozciągłości 009 E 031 E w długości geograficznej oraz N 66 Nw szerokości geograficznej. Szerokość kolumn siatki (Δλ) wynosi 2 minuty kątowe, natomiast szerokość wierszy (Δφ) wynosi 1 minutę kątową. Utworzone w przedstawiony sposób siatki posłużyły do normalizacji i ujednolicenia rozkładu przestrzennego danych batymetrycznych uzyskanych z różnych źródeł. W przeciwieństwie do pierwszej wersji danych, gdzie punkty pomiarowe ulokowane były w narożnikach komórek siatki,poprawiona edycja z 2001 roku lokuje punkty pomiarowe w geometrycznych środkach komórek siatki. Ta, czysto techniczna różnica, nie 18

19 Model batymetryczny Morza Bałtyckiego do symulacji działań. ma jednak żadnego wpływu na przyjętą rozdzielczość siatki, która równa jest przyjętym szerokościom wierszy i kolumn. Do uzyskanego wyjściowego zbioru danych, odpowiadającego przyjętej siatce Morza Bałtyckiego, dodano dodatkowo tzw. znaczniki lądu (org. landmask). Mają one na celu poprawienie przebiegu linii brzegowej, ze względu na jej odchyłki (spowodowane niską rozdzielczością siatek) od rzeczywistej pozycji o ±1 komórkę siatki, co odpowiada wartości ± m. Znaczniki lądu powstały poprzez nałożenie na wyjściowe zbiorydanych, niezależnych konturów linii brzegowych uzyskanych z wysokiej rozdzielczości bazy stworzonych przez Wessel & Smith [9] oraz przez Feistela [1]. Na podstawie przeprowadzonej analizy w miejscach, gdzie przebieg nałożonej linii brzegowej nie odpowiadał wyliczonym danym batymetrycznym zastosowano korektę, polegającą na wypełnianiu tych miejsc wartościami ±0,1 m odpowiednio. W końcowej fazie pobrano znaczniki lądu z przygotowanych w ten sposób danych. Nie ulega wątpliwości, że tego typu rozwiązanie poprawia w znaczny sposób przebieg linii brzegowej i zbliża go do rzeczywistego. Dodatkowe zawarcie znaczników lądu w wyjściowych zbiorach danych nie ma jednak jakiegokolwiek praktycznego uzasadnienia, gdyż zbiory te przeszły opisaną wyżej korektę, a przypisanie znaczników lądudo komórek siatki wymusza tę samą, co one, rozdzielczość, to z kolei skutkuje niemożnością wykorzystania znaczników do odtworzenia wiernego przebiegu linii brzegowej. Rys. 1. Wizualizacja rejonu Zatoki Gdańskiej przy pomocy oryginalnie udostępnionychdanych: rozmiar rzeczywisty oraz czterokrotne powiększenie Wykorzystanie tak przygotowanych danych do dalszych prac badawczych jest,co najmniej, problematyczne. Zasadność oparcia tworzonego 19

20 Artur Cywiński, Piotr Bekier akustycznego modelu środowiska na opisanym modelu topografii dna nie podlega, w zasadzie, dyskusji. Nie do przyjęcia jest natomiast jego część wizualna, o czym przekonać się można analizując rys. 1, na którym przedstawiono wizualizację rejonu Zatoki Gdańskiej oraz części Zalewu Wiślanego. Właśnie na tym drugim rejonie zaobserwować można błędy, przejawiające się powstaniem mielizn i wysp na środku Zalewu, co spowodowane jest zarówno niską rozdzielczością siatek, jak również uśrednianiem kilku, najwyraźniej niezbytdokładnych pomiarów, odnoszących się do przedmiotowego akwenu. Podsumowując, należy podkreślić ogrom pracy włożony przez zespół niemieckich naukowców do skonstruowania kompletnego modelu batymetrycznego Morza Bałtyckiego. Należy dodać, że dane poddane obróbce w ramach procesu badawczego nie były korygowane do wspólnego układu odniesienia, tj. do konkretnej elipsoidy. Zaproponowane przez autorów rozwiązanie problemu wizualizacji przebiega w dwóch etapach, a przedstawiono je w kolejnych punktach. W tym miejscu należy stwierdzić, że wykorzystanie do tego celu zawartych w zbiorach danych znaczników lądu zaowocowałoby, co najwyżej, podkreśleniem przebiegu linii brzegowej, a nie jej właściwą korektą. INTERPOLACJA DANYCH BATYMETRYCZNYCH W ujęciu czysto matematycznym, zadaniem interpolacji jest skonstruowanie funkcji, która przebiega przez zadane punkty. W tym konkretnym przypadku, przy pomocy interpolacji, zamierzano sztucznie zwiększyć ilość punktów pomiarowych siatki, a właściwie znaleźć wartość pośrednie punktów już istniejących. Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje interpolacji: interpolacja metodą najbliższego sąsiada (ang. nearest neighbor). W metodzie tej oblicza się odwrotną transformację skorygowanych współrzędnych danego punktu, a następnie szuka się istniejącego punktu pomiarowego o najbliższych współrzędnych. Wartość najbliższego punktu pomiarowego (np. głębokość) kopiuje się jako nową wartość punktu skorygowanej siatki. interpolacja dwuliniowa (ang. bilinear). Jest to metoda pośrednia, bardziej wymagająca obliczeniowo, ale dająca zarazem lepszy efekt. Wykorzystuje się tu cztery najbliższe punkty pomiarowe względem współrzędnych punktu skorygowanego po jego transformacji odwrotnej. Metoda ta interpoluje kolejno wartości pomiędzy poszczególnymi punktami w sposób liniowy. 20

21 Model batymetryczny Morza Bałtyckiego do symulacji działań. interpolacja dwusześcienna (ang. bicubic); jest to metoda dająca najlepszy efekt końcowy, ale zarazem najbardziej wymagająca obliczeniowo. Polega na uwzględnieniu wartości 16 sąsiednich punktów. Na rys. 2a przedstawiono efekt wizualizacji udostępnionych danych batymetrycznych siatki Morza Bałtyckiego poddanych 5-cio krotnej interpolacji metodą dwuliniową. Pomimo znacznego polepszenia w zakresie jakości odwzorowania, zaobserwować można niedoskonałości zastosowanej metody interpolacji, polegające na uwzględnianiu zbyt małej liczby węzłów interpolacji, a przejawiające się np. utratą ciągłości linii brzegowej na półwyspie Hel. Zauważyć można również powielenie i powiększenie błędów danych źródłowych (np. wymieniane już niedokładności pomiarów głębokości na Zalewie Wiślanym). Na rys. 2b przedstawiono efekt wizualizacji udostępnionych danych batymetrycznych poddanych 5-cio krotnej interpolacji metodą dwusześcienną z wykorzystaniem wielomianu interpolacyjnego Lagrange a. W porównaniu do metody dwuliniowej zaobserwować można częściowe wyeliminowanie niedoskonałości tej ostatniej, głównie dzięki zastosowaniu nie 4, a 16 węzłów interpolacji (utrzymanie ciągłości linii brzegowej na półwyspie Hel). Zauważyć można również niewielkie zmniejszenie (!) błędów danych źródłowych na Zalewie Wiślanym (por. rys. 1). Z przedstawionych metod interpolacji, ostatnia - dwusześcienna wydaje się być najbardziej odpowiednim rozwiązaniem, w związku z czym została ona zaimplementowana w odpowiednim programie, a udostępnione dane batymetryczne poddane kolejno 5-cio i 10-cio krotnej interpolacji. ) Drugim etapem rozwiązania problemu wizualizacji oryginalnie udostępnionych danych batymetrycznych była konieczność przeprowadzenia dodatkowej korekty przebiegu linii brzegowych. Zgodnie z tym, co przeda ) b Rys. 2. Wizualizacja rejonu Zatoki Gdańskiej jako rezultat 5-cio krotnej interpolacji metodą dwuliniową (a) oraz metodą dwusześcienną z wykorzystaniemwielomianu interpolacyjnego Lagrange a (b) KOREKTA PRZEBIEGU LINII BRZEGOWEJ 21

22 Artur Cywiński, Piotr Bekier stawiono w pkt. 1, surowe dane batymetryczne poddane były tego typu korekcie już na etapie ich kompilacji, jednakże rozdzielczość linii brzegowych równa jest rozdzielczości siatki, efektem czego jest niewielka dokładność ich położenia: 2 minuty kątowe (3704 m). Jest to wartość akceptowalna w przypadku topografii dna, natomiast wykorzystanie danych o tej dokładności do rysowania konturów linii brzegowych skutkuje niską jakością wizualizacji (rys. 1). Z powyższego względu autorzy zdecydowali o konieczności przeprowadzenia dodatkowej korekty przebiegu linii brzegowych, w oparciu o zewnętrzne źródło danych o ich położeniu. W charakterze bazy danych zdecydowano się na wykorzystanie najlepszych, na dzień dzisiejszy, istniejących danych o dostępie lokalnym (niezależnym do żądanego obszaru) bazy RANGS (ang. Regionally Accessible Nested Global Shorelines) [1], [2]. Dane te oparte są o ogólnoświatowy zbiór linii brzegowych wysokiej rozdzielczości Global Self-consistent Hierarchical High-resolution Shorelines (GSHHS) skompilowany przez zespół Wessel & Smith [9] na bazie szeroko rozpowszechnionego systemu World Vector Shoreline (WVS) [7] uzupełnionego przez dane pochodzące z Centralnej Agencji Wywiadowczej. Z kolei system WVS oparty jest na danych uzyskanych z US Defense Mapping Agency (DMA), obecnie National Imagery and Mapping Agency (NIMA). Pozycje linii brzegowej w systemie WVS podane zostały z dokładnością do 0,1, co daje teoretyczną dokładność w granicach ±3 m. Chociaż nie jest to oficjalnie potwierdzone, przyjmuje się, że rozdzielczość systemu WVS oscyluje w granicach 100 m, co oznacza, że w praktyce, system nie odzwierciedla zmian w przebiegu linii brzegowych mniejszych niż podana wartość. Na rys. 3a zaprezentowano wizualizację linii brzegowej rejonu Zatoki Gdańskiej uzyskaną przy pomocy bazy RANGS. Tak uzyskany kontur linii brzegowej nałożony został na dane batymetryczne poddane interpolacji metodą dwusześcienną z wykorzystaniem wielomianu interpolacyjnego Lagrange a. Pomimo faktu, iż linia brzegowa rysowana była w tej samej skali, jak dane batymetryczne co, na pierwszy rzut oka, nie powinno spowodować widocznej poprawy jej położenia, to dzięki wykonanej interpolacji, która nijako sztucznie zwiększyła rozdzielczość danych batymetrycznych, ta poprawa została osiągnięta. Na rys. 3b wyraźnie zaobserwować można miejsca, w których przebieg linii brzegowej uzyskanej dzięki wizualizacji danych zaczerpniętych z bazy RANGS nie odpowiada wyliczonym danym batymetrycznym. Częściową odpowiedzialność za powstanie tego typu odchyłek ponosi właśnie proces interpolacji, jednakże w tym względzie nie należy oczekiwać innych rezultatów. W miejscach, w których przebieg linii brzegowej nie odpowiada wyliczonym danym batymetrycznym, zastosowano korektę, analogiczną do przeprowadzonej przez zespół Seifert, Tauber, Kayser [6] podczas konstruowania topografii dna 22

23 Model batymetryczny Morza Bałtyckiego do symulacji działań. Morza Bałtyckiego, polegającą na wypełnianiu ich wartościami ±0,1 m odpowiednio. ) ) Rys. 3. Zobrazowanie linii brzegowej rejonu Zatoki Gdańskiej uzyskane z bazy RANGS(a), nałożone na dane batymetryczne bez przeprowadzania korekty (b) Rys. 4. Zobrazowanie rejonu Zatoki Gdańskiej uzyskane po przeprowadzeniu dodatkowej korekty przebiegu linii brzegowej W rezultacie zastosowanej korekty, osiągnięto faktyczną poprawę przebiegu linii brzegowej, która dzięki temu zbliżona jest do swego rzeczywistego położenia. Na rys. 4 zaprezentowano efekt finalny zobrazowanie danych batymetrycznych rejonu Zatoki Gdańskiej uzyskanych w wyniku 5- cio krotnej interpolacji metodą dwusześcienną oryginalnych danych siatki Morza Bałtyckiego, połączone z nałożeniem niezależnej linii brzegowej zaczerpniętej z bazy RANGS. Przygotowane w ten sposób dane batymetryczne, stanowiące de facto model topografii dna dają podstawę do skonstruowania, na dalszym etapie prac, modelu akustycznego środowiska. Należy pod- 23

24 Artur Cywiński, Piotr Bekier kreślić, że możliwości bazy RANGS, rozpatrując oferowaną rozdzielczość w granicach 100 m, wykraczają daleko poza wymagania niniejszej pracy. WNIOSKI KOŃCOWE Akademia Marynarki Wojennej posiada na wyposażeniu symulator przeznaczony do szkolenia załóg okrętów MW RP. Symulacja działań okrętów obejmuje, oprócz działań jednostek nawodnych manewrujących w różnych rejonach, również działania realizowane przez okręty podwodne. Właściwe zabezpieczenie tych czynności, pozwalające dokładnie odtworzyć panujące warunki hydrologiczne, wymaga posiadania realistycznego modelu batymetrycznego rejonu działań. Dane opisujące odwzorowanie dna, dostępne niekomercyjnie w Internecie, stanowić mogą bazę do budowy wspomnianego modelu batymetrycznego. Ich parametry wymagają jednak poprawy przez zastosowanie aparatu matematycznego. Zaproponowana przez autorów dwustopniowa korekta poprawia w znacznym stopniu dokładność przebiegu linii brzegowej oraz rozdzielczość danych batymetrycznych. Korekta linii brzegowej przy pomocy zewnętrznej bazy RANGS pozwoliła na osiągnięcie faktycznej poprawy przebiegu linii brzegowej, która dzięki temu zbliżona jest do swego rzeczywistego położenia. Z przedstawionych metod interpolacji, metoda dwusześcienna jest najbardziej odpowiednim rozwiązaniem, w związku z czym została ona zaimplementowana w odpowiednim programie. W takiej formie, uzyskany model batymetryczny, spełnia wymagania do symulacji działań okrętów. BIBLIOGRAFIA [1] Feistel R.: New shoreline map-drawing data available. EOS, [2] Feistel R.: Regionally Accessible Nested Global Shorelines. Institut für Ostseeforschung, Warnemünde, rangs.htm. [3] Kiciak P.: Podstawy modelowania krzywych i powierzchni. WNT, Warszawa [4] Pavlidis T.: Grafika i przetwarzanie obrazów. Algorytmy. WNT, Warszawa [5] Seifert T., Kayser B.: A high resolution spherical grid topography of the Baltic Sea. Berichte (Marine Science Reports), 1995, no. 9, pp [6] Seifert T., Tauber F., Kayser B.: A high resolution spherical grid topography of the Baltic Sea revised edition. Proceedinggs of the Baltic Sea Science Congress, , Sztokholm, Szwecja. [7] Soluri E. A., Woodson V. A.: World Vector Shoreline. International Hydrographic Review, 1990, LXVII(1), pp

25 Model batymetryczny Morza Bałtyckiego do symulacji działań. [8] Stateczny A.: Nawigacja porównawcza. Wydawnictwo Gdańskie, Gdańsk [9] Wessel P., Smith W. H. F.: A global self-consistent, hierarchical, highresolution shoreline database. Journal of Geophysical Research, no. 101, 1996, pp "Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy" l Recenzent: dr hab. inż. Stanisław Kołaczyoski 25

26 FORU M N A W I G A C J I W I O S N A Andrzej Felski, Piotr Kasjaniuk Akademia Marynarki Wojennej Historia kompasu satelitarnego W artykule przedstawiono zasady działania kompasu satelitarnego oraz zasadnicze fakty z jego historii. WSTĘP Kompas satelitarny jest specyficznym, wieloantenowym odbiornikiem satelitarnego systemu nawigacyjnego. Urządzenia tej grupy, poza typowymi funkcjami oferowanymi przez odbiorniki GNSS pozwalają określić kąty przestrzennej orientacji zestawu anten, a więc również kurs okrętu. Odbywa się to w oparciu o pomiary fazowe, a na ich podstawie ustala się przestrzenne położenie wektora łączącego anteny oddalone od siebie o precyzyjnie określoną odległość. ZASADA DZIAŁANIA Urządzenie jest powszechnie dostępne zaledwie od kilku lat, jednak historia jego powstania jest o wiele dłuższa. Zasad jego pracy możemy doszukiwać się w stosowanej od końca lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku technologii pomiarów geodezyjno-astronomicznych zwanych VLBI (Very Long Base Interferometry). Jej istota opiera się na określeniu wektora łączącego oddalone od siebie o tysiące kilometrów stacje naziemne poprzez odbiór tej samej fali radiowej emitowanej przez źródło znajdujące się w kosmosie. Pomiar VLBI sprowadzają się do rejestracji w dwóch różnych miejscach fali radiowej pochodzącej od jednego źródła, którym zazwyczaj jest kwazar. Następnie przeprowadza się korelację wzajemną tych dwóch przebiegów, a na tej podstawie, po wykonaniu wielu niejednoczesnych pomiarów względem tego samego źródła, uwzględniając ruch obrotowy Ziemi można wyznaczyć przestrzenny wektor łączący oba punkty pomiarowe. Idea takich pomiarów została przedstawiona na rys

27 Historia kompasu satelitarnego Rys. 1 Idea pomiarów metodą VLBI [Bomford, 1980] Dwie stacje odbiorcze A i B rozmieszczone są na Ziemi, zwykle w odległościach tysięcy kilometrów od siebie. Kierunki AQ i BQ określają kierunki na odległe źródło fal elektromagnetycznych, emitujące szerokie spektrum fal. Źródło to znajduje się na tyle daleko, że nie mieści się na rysunku. Jego współrzędne to deklinacja δ i kąt godzinny h. Wobec bardzo dużej odległości do źródła emisji fal radiowych odległość AB można uznać za niewielką, co pozwala założyć, że odcinki AQ i BQ są równoległe. Na tej podstawie, pomijając wpływ refrakcji atmosferycznej możemy uznać, że również krzywizna czoła fali radiowej docierającej do punktów A i B jest nieistotna. Wobec takich założeń moment, w którym czoło fali dociera do punktu B jest opóźniony o czas T i zakładając, że prędkość fali radiowej równa jest c, odcinek BP możemy wyrazić iloczynem Tc. Rysunek nie uwzględnia tego, iż Ziemia, a wraz z nią także odcinek AB zmienia swoje położenie w przestrzeni, więc kierunki AQ i BQ zmieniają się także. Jednak ten fakt umożliwia wykonanie wielu pomiarów na to samo źródło, które przyjmuje się jako niezmienne. W efekcie uzyskuje się wiele niejednoczesnych, dwuwymiarowych pomiarów, które pozwalają dokonywać wyznaczeń w przestrzeni. Jednym z częstszych zastosowań tej techniki w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku było tworzenie międzykontynentalnych sieci geodezyjnych, w których dokonywano wyjątkowo dokładnych, jak na owe czasy wyznaczeń długości wektora łączącego obie stacje. Jedyną alternatywą dla tych pomiarów były tradycyjne metody astronomiczne, niedorównujące dokładnością metodzie VLBI. Przykładowo, w jednym z eksperymentów, na bazie o długości 3900km uzyskano błąd pomiaru odległości rzędu zaledwie 40cm [Bomford, 1980]. W latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku zastosowanie technologii satelitarnych ograniczyło zakres wykorzystania VLBI w geodezji, jednak nadal jest to bardzo ważne narzędzie badania ruchu obrotowego Ziemi. 27

28 Andrzej Felski, Piotr Kasjaniuk Kwazar generuje niezwykle szerokie widmo częstotliwości, znacznie przekraczające zakres przenoszenia dostępnych urządzeń odbiorczych. Praktyka pomiarowa VLBI polega na rejestrowaniu kilkuminutowych sesji cechowanych dokładnymi znacznikami czasu na magnetofonie, a następnie, w trybie postprocesingowym określaniu czasu korelacji wzajemnej dwóch zapisów pochodzących z punktów A i B. Zasadniczym czynnikiem przy rozpatrywaniu dokładności tej techniki staje się szerokość pasma przenoszenia układów rejestrujących sygnał oraz synchronizacja wzorców czasu, które przy tak dużych odległościach pomiędzy stacjami pomiarowymi muszą działać niezależnie. Tę samą zasadę jeszcze w latach osiemdziesiątych zaproponował wykorzystać Mac Doran do obserwacji sygnałów GPS dla pomiarów względnych w geodezji [Mac Doran i inni, 1984]. Sygnały emitowane przez satelity GPS mają znacznie węższe spektrum niż naturalne źródła fal radiowych jednak są stabilniejsze i silniejsze, a ponadto są kodowane przez ciągi pseudolosowe. Wyższy poziom sygnału od satelitów sprawia, że urządzenia odbiorcze, zwłaszcza anteny mogły być wielokrotnie mniejsze. O ile sygnały od kwazarów odbierane są z użyciem olbrzymich anten parabolicznych, niekiedy o średnicy kilkudziesięciu metrów, to sygnały od satelitów MacDoran [MacDoran i inni, 1984] odbierał przy pomocy płaskich kwadratowych anten o boku 50cm. Z tej techniki wyrosły współczesne pomiary fazowe stosowane powszechnie w geodezji. Zwróćmy uwagę na istotne różnice pomiędzy technikami fazowymi GPS i techniką VLBI. W stosunku do sygnałów naturalnych zalety sygnałów GPS nie ograniczają się tylko do stabilniejszej częstotliwości czy wyższego poziomu mocy. Przede wszystkim sygnał ten jest wytworzony przez aparaturę stworzoną przez człowieka. Wobec tego podobną aparaturę można zainstalować w odbiorniku, co pozwala wykonywać pomiary fazy nie poprzez korelowanie sygnałów traktowanych jako szum, lecz klasycznymi metodami interferometrycznymi, to jest poprzez nakładanie sygnału od satelity na sygnał wytworzony przez generator odbiornika. Pozwala to na bieżąco mierzyć zmiany fazy sygnału odbieranego od satelity. To prowadzi do współczesnych metod fazowych wykorzystania GPS w geodezji. Szczególną uwagę zwrócimy na wariant RTK, w którym wymagane jest posiadanie, co najmniej dwóch odbiorników oraz łączności pomiędzy nimi. Jeden odbiornik zostaje umieszczony w punkcie o znanych współrzędnych i pełni funkcję stacji referencyjnej. Prowadzi on ciągłe obserwacje i wysyła dane za pomocą radiomodemu, telefonu komórkowego GSM lub za pośrednictwem innego medium. Odbiornik ruchomy (Rover), na podstawie sygnałów odebranych od satelitów oraz danych ze stacji referencyjnej wyznacza wektor łączący obie anteny. PIERWSZE WIELOANTENOWE ODBIORNIKI GPS DO ORIENTACJI PRZESTRZENNEJ 28

29 Historia kompasu satelitarnego Kompas satelitarny jest modyfikacją idei RTK, jednak jeszcze przed pojawieniem się tej technologii pojawiły się pomysły wykorzystania GPS do wyznaczania orientacji przestrzennej. Niezależnie od pomysłów opartych o pomiar różnicy fazy w kilku antenach rozmieszczonych niewspółliniowo Anthony Evans w pracy Roll, Pitch and Yaw Determination Using a Global Positioning System Receiver and an Antenna Periodically Moving in a Plane [Evans, 1986] zaproponował metodę określanie kątów orientacji samolotu za pomocą pojedynczej anteny, która cyklicznie się obraca wewnątrz kadłuba samolotu. Pierwszy, wieloantenowy odbiornik, do określania orientacji przestrzennej powstał w 1988r. Był to 18 kanałowy odbiornik posiadający trzy anteny oddalonych od siebie na odległości od 40 cm do 60 cm. Miał on za zadanie gromadzić informacje o przechyłach wzdłużnych i poprzecznych oraz kursie. Ten prekursor kompasu satelitarnego został przetestowany w warunkach morskich na amerykańskim krążowniku rakietowym USS YORKTOWN. Doświadczenia na jednostce pływającej miały na celu określenia dokładności wskazań położenia jednostki podczas ruchu. Przede wszystkim skupiono się na takich parametrach jak: inicjalizacja systemu, podtrzymanie ciągłości jego pracy oraz dokładność w czasie rzeczywistym w dynamicznym środowisku. Wykonane w tym celu badania wykazały, że wieloantenowe odbiorniki GPS, prócz doskonałej zdolności pozycjonowania, są w stanie określić wiarygodne dane odnośnie orientacji przestrzennej okrętu [Ruiz, i inni, 2002]. Lata dziewięćdziesiąte przyniosły znaczne ożywienie w badaniach nad zastosowaniem GPS do pomiarów kątów orientacji przestrzennej obiektu. W 1991 roku firma Ashtech wypuściła na rynek pierwszy komercyjny, wieloantenowego odbiornika o symbolu 3DF. Urządzenie to było w stanie określić kurs, przechył wzdłużny i poprzeczny, niezależnie od pozycji. Rys. 2. Rozmieszczenie anten na statku Endeavour [Lu i inni, 2009]. 29

30 Andrzej Felski, Piotr Kasjaniuk Zastosowany tu wielokanałowy odbiornik pracujący w trybie fazowym współdziałał z układem czterech anten (bazowa i trzy podległe). Funkcjonowanie systemu wymagało odbierania przez anteny sygnałów od przynajmniej czterech różnych satelitów przez wszystkie anteny jednocześnie. Duże znaczenie dla dokładności systemu odgrywało rozlokowanie anten. Sugerowano, że najbardziej optymalnym jest ułożenie ich w kształcie krzyża równoramiennego tak, aby jedna para anten znajdowała się w diametralnej okrętu. System Ashtech 3DF w 1992 roku był testowany na brytyjskim statku badawczym RRS Discovery. Kurs uzyskany z systemu satelitarnego został porównany z kursem żyrokompasowym. Średnia różnica wskazań kursu podczas postoju wyniosła 0,066, natomiast różnica ta w warunkach dynamicznych sięgała 3, co należy przypisać w znacznym stopniu dewiacjom dynamicznym kompasu żyroskopowego. Podobne badania wieloantenowego odbiornika GPS podjął zespół profesora Lachapelle z Uniwersytetu w Calgary. W 1994 roku przeprowadzili oni próby na statku kanadyjskiego Ministerstwa Obrony Narodowej Endeavour, na którym zamontowali podobny system orientacji przestrzennej GPS. Celem testów było przeprowadzenie porównania wskazań tego systemu z dostępnym na jednostce żyrokompasem Sperry Mark 3 Model C. Główny nacisk kładziono na wskazanie kursu jednostki, dodatkowo zaś rejestrowano jej przechyły wzdłużne i poprzeczne. W tym celu na lądowisku helikopterowym statku zamontowano cztery anteny GPS w sposób przedstawiony na Rys. 1. Badania dowiodły, że system GPS zapewnia dostateczną dokładność wskazań kursu jednostki nawodnej dla badań tradycyjnych kompasów. Wskazania te były stabilne podczas manewrowania statku, a zaniki sygnału nieliczne i dostatecznie krótkie, by nie wpływać znacząco na bezpieczeństwo nawigacji. Jednak prócz porównania wskazań kursu wyznaczanego wieloantenowym odbiornikiem GPS z kursem wyznaczanym kompasem żyroskopowym naukowcy z Calgary przeprowadzili inne doświadczenie. Mianowicie zbadali jak bardzo zmieni się wartość wskazań systemu opartego o GPS wraz ze zmniejszeniem ilości anten. W wyniku przeprowadzonych prób ustalili oni, że do osiągnięcia wskazań kursu wystarczają dwie anteny, a nie jak wcześniej przypuszczano cztery. Różnice wskazań kursu przy pomocy cztero- i dwu-antenowego systemu przedstawiono na wykresie (Rys. 3.), z którego wynika, że największa wartość różnicy kursu nie przekracza 0,07. Na tej podstawie postawiono tezę, że układ wyposażony w dwie anteny posiada niemal taką samą dokładność w określaniu kursu jak jego odpowiednik wyposażony w cztery anteny. 30

31 Historia kompasu satelitarnego Rys. 3. Różnica wskazań kursu między cztero-antenowym i dwu-antenowym systemem orientacji przestrzennej GPS [Lu i inni, 2009]. Pierwszy dostępny komercyjnie kompas satelitarny pojawił się na rynku w 2005 roku w ofercie kanadyjskiej firmy Hemisphere będącej częścią koncernu CSI, który z kolei wcześniej wchłonął znanego producenta odbiorników GPS firmę Magnawox. Był to MX 575 DGPS Compass. Certyfikat spełniania wymogów konwencji SOLAS (Safety of Life At Sea), jako rezerwowe źródło informacji o kursie oraz jako źródło informacji o kursie dla urządzeń AIS kompas ten uzyskał od US Coast Guard. MX 575 DGPS Compass jest niczym innym jak dwoma odbiornikami DGPS i dwoma antenami odbiorczymi zamkniętymi w jednej, wodoodpornej obudowie długości około pół metra. Połączona jest ona z monitorem wraz z układami sterowania, z którego można kierować ustawieniami kompasu oraz na którym wyświetlane są informacje uzyskane za jego pomocą. Ten system orientacji przestrzennej wyposażony jest dodatkowo w żyroskop półprzewodnikowy, który podtrzymuje informację o kursie w czasie, gdy sygnały systemu GPS są czasowo niedostępne. Oprócz żyroskopu wewnątrz urządzenia umieszczone są inklinometr wraz z czujnikiem magnetycznym. Wspomagają one ustalenie informacji o kursie podczas uruchamiania urządzenia, a także przyspieszają reakwizycję sygnałów w trakcie eksploatacji. Wedle zapewnień producenta MX 575 osiągał średni błąd pomiaru kursu na poziomie 0,5 stopnia (RMS). 31

32 Andrzej Felski, Piotr Kasjaniuk Rys. 4. MX 575 DGPS Compass Odbiornik MX 575 pracuje na częstotliwości L1 z kodem C/A oraz analizą fazy fali nośnej. Posiada on 12 kanałów śledzących równolegle lub 10 w wariancie pracy SBAS. Na tej podstawie kompas ten określa położenie anteny pomocniczej względem głównej z błędem około 1 cm. W rezultacie wyznaczany zostaje wektor, którego parametry służą do obliczenia kursu jednostki. MX 575 DGPS Compass jest urządzeniem, które w zamyśle konstruktorów mało być sensorem dla innych systemów nawigacyjnych. Wymagał jedynie podłączenia zasilania i przewodu transmisji danych. Jego modyfikacją jest dostępny aktualnie Crescent Vector 100 produkcji tejże firmy Hemisphere. Kompas ten stworzony został z myślą o użytkownikach rynku morskiego, jednak możliwe jest jego użycie również w innych obszarach, na przykład do sterowania maszynami roboczymi lub rolniczymi. Urządzenie wygląda niemal identycznie jak to, przedstawione na rys. 3. Mieści się w jednej, wodoszczelnej obudowie o długości około 0,6 metra. W jego skład wchodzą: moduł Crescent Vector, dwie anteny GPS, moduł DGPS, zasilacz oraz jednoosiowy żyroskop z akcelerometrem. Wszystkie te elementy tworzą razem pojedyncze urządzenie, któremu wystarczy jedynie podpiąć zasilanie oraz przewód transmisji danych, by zaczął działać. Komunikacja odbywa się za pośrednictwem czterech wyjść szeregowych ( 2xRS-232 i 2xRS- 422) przy prędkości transmisji w przedziale od 4800 do bodów z użyciem protokołów NMEA 0183 albo firmowego Crescent binary. Crescent Vector 100 jest urządzeniem, będącym kompletnym odbiornikiem GPS, który został uzupełniony o moduł pomiarów fazowych. Wykorzystuje on zarówno kod C/A transmitowany na częstotliwości L1 systemu GPS, jak i fazę fali nośnej do obliczenia położenia anteny pomocniczej względem anteny głównej z błędem poniżej centymetra. Realizowane jest to w oparciu o technikę pomiarów RTK-GPS, jednak w porównaniu 32

33 Historia kompasu satelitarnego z rozwiązaniem stosowanym w geodezji na uwagę zasługuje fakt, że dzieje się to w warunkach poruszania się obu anten również odbiornika bazowego. W technologii RTK wymagana jest analiza znacznej liczby możliwych rozwiązań wynikających z kombinacji całkowitych wielokrotności długości fali nośnej L1 odbieranej od wielu satelitów. Powoduje to niejednoznaczność rozwiązania. W metodzie zastosowanej w Crescent V 100 bierze się pod uwagę ograniczoną liczbę potencjalnych wyników, ponieważ znana jest odległość między antenami. Zastosowana w urządzeniu Vector 100 unikalna technologia pomiarowa Crescent obsługuje wielokrotny pomiar końcowego zbocza sygnału radiowego, co umożliwia doskonałą korelację pomiarów z dwóch rozdzielnych anten dla precyzyjnego określenia kierunku. Dzięki niezwykle precyzyjnemu porównaniu faz dwóch sygnałów radiowych użytkownik otrzymuje informację o wysokiej dokładności oraz stabilności. Odległość ośrodków fazowych anten GPS umieszczonych wewnątrz urządzenia wynosi 0,5 metra, co pozwala osiągnąć średni błąd pomiaru kierunku na poziomie 0,30 (RMS) z częstotliwością nawet do 20 Hz. Ustawienia domyślne powodują pracę kompasu w wariancie różnicowym. W trakcie uruchamiania w pierwszej kolejności przeszukiwane są częstotliwości stosowane w systemach SBAS (system EGNOS, WAAS, MSAS lub podobne). Jeżeli sygnały te nie są dostępne, może on współpracować ze stacjami DGPS z zakresu fal średnich. W ostateczności, jeżeli poprawki różnicowe nie są dostępne pracuje w postaci czystego GPS. Skutkuje to jedynie zmniejszeniem dokładności wyznaczenia pozycji (przy użyciu DGPS wynosi ona 0,60 metra) i nie ma żadnego wpływu na wyznaczenia kierunku. Dzieje się tak, ponieważ proces ten odbywa się w oparciu o sygnały transmitowane przez satelity na częstotliwości L1. Kompas satelitarny Vector 100 może być instalowany na jednostkach pływających w dwóch wariantach: równolegle lub prostopadle do diametralnej. Instalacja równoległa do diametralnej pozwala określić współrzędne pozycji, kurs oraz przechyły burtowe. W przypadku montażu urządzenia prostopadle do diametralnej statku zamiast przechyłów burtowych wyznaczane są przechyły wzdłużne. Bez względu na wybrany wariant instalacji należy zawsze pamiętać, by kompas umieszczony był w miejscu, w którym żaden z elementów jednostki nie przysłaniałby sygnałów z satelitów. Obecnie w ofercie głównych producentów sprzętu nawigacyjnego dostępnych jest wiele odmian takich urządzeń. Mogą one wyznaczać kąty orientacji względem dwóch lub trzech osi przestrzennego układu współrzędnych kartezjańskich. Przykładem kompasu określającego wszystkie kąty orientacji przestrzennej jest japoński FURUNO - SC-50, posiadający certyfikaty zgodności z rezolucjami IMO oraz normami międzynarodowymi (IMO MSC. 116(73), ISO/FDIS , IMO A.694(17), IEC 60945( ), IEC 61162), co oznacza, że może być stosowany na statkach i innych 33

34 Andrzej Felski, Piotr Kasjaniuk jednostkach na morzu, jako źródło informacji o kursie dla radarów/arpa, AIS, ECDIS oraz sonarów. Ten kompas składa się z trzech głównych części: zespołu antenowego, wyświetlacza i jednostki centralnej. System trójosiowej anteny wykorzystuje działanie trzech anten/odbiorników i jest dostępny w wersji z anteną zamkniętą (SC-303) lub otwartą (SC-603). Trójosiowa antena zapewnia pomiar trzech kątów orientacji z błędem nie gorszym nią niż 1 0 dziesięć razy na sekundę. PODSUMOWANIE Rys. 5. Budowa kompasu satelitarnego FURUNO SC-50 Urządzenia wyznaczające kierunek na podstawie sygnałów pochodzących od satelitów nawigacyjnych znajdują obecnie szerokie zastosowanie, również w nawigacji powietrznej i wojskach lądowych. Ciekawym przykładem zastosowania w wojskach lądowych jest urządzenie COMET firmy Azimuth Technologies Ltd oferowane wojskom lądowym Izraela jako wyposażenie pojazdów bojowych, stacji radiolokacyjnych czy przenośnych wyrzutni rakietowych w charakterze układu orientacji w azymucie (Rys. 6). 34

35 Historia kompasu satelitarnego Rys. 6. System zainstalowany na wyrzutni rakiet przeciwlotniczych [COMET, 2010]. Mankamentem tych urządzeń jest zależność od systemu GNSS, co powoduje monopolizowanie źródeł informacji i jest podnoszone przez ekspertów IMO, jako działanie niewłaściwe, bowiem pozbawia okręt alternatywnych, zapasowych źródeł informacji. Ponadto, niektóre konstrukcje kompasów satelitarnych nie gwarantują stabilności wskazań, będąc czułymi na zjawiska przejściowe związane z doborem innej konfiguracji satelitów przez system. Może to prowadzić do krótkotrwałych, skokowych zmian kursu, z reguły na kilkunaście sekund, co jednakże w przypadku, gdyby takie urządzenie było źródłem informacji dla autopilota mogłoby skutkować nieprzewidzianą i gwałtowną zmianą kursu, czego efekty mogłyby być bardzo kosztowne. LITERATURA [1] Bomford G.: Geodesy. Clarendon Press, Oxford, [2] COMET Azimuth and Position Sensors. ( ). [3] Evans A.: Roll, Pitch and Yaw Determination Using a Global Positioning System Receiver and Antenna Periodically Moving in a Plane. Marine Geodesy, vol. 10, No. 1, [4] Felski A., Nowak A.: Practical experiences for the use of satellite compass. ( ). [5] Kasjaniuk P.: Dokładność kompasu satelitarnego. Praca dyplomowa magisterska, AMW, Gdynia, [6] King B., Cooper E.: Comparison of ship s heading determination from an array of GPS antennas with heading from conventional gyrocompass 35

36 Andrzej Felski, Piotr Kasjaniuk measurements. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, Vol. 40, No , [7] Lu G., Lachapelle G., Cannon M., Vogel B.: Performance Analysis of Shipborne Gyrocompass with a Multi-Antennae GPS System. Proceedings of IEEE PLANS 94 dostępne na ( ). [8] MacDoran P. F., Miller R. B., Buennagel L.A., Fliegel L. A., Tanida L.: Codeless GPS Systems for Positioning of Offshore Platforms and 3D Seismic Surveys. Navigation vol. 31, no [9] Ruiz S., Font J., Griffiths G., Castellon A.: Estimation of Heading Gyrocompass Error Using a GPS-3DF System: Impact of ADCP Measurements. Scientia Marina 66(4), Recenzent: dr hab. inż. Cezary Specht 36

37 F O R U M N A W I G A C J I W I O S N A Umecki Dominik, Krzysztof Naus Akademia Marynarki Wojennej GENEROWANIE UTAJNIONEJ DEPESZY SYSTEMU AIS W artykule omówiono, sposób wykorzystania urządzenia AIS do transmisji danych nie jawnych. Na wstępie opisano jego architekturę oraz zasadę działania. W głównej części, opierając się na przykładzie, przedstawiono proces kodowania zaszyfrowanej depeszy AIS. Ponadto zaprezentowano, aplikacje szyfrującą i deszyfrującą binarnie kodowaną depeszę zgodnie z ITU 1371 [2]. Na końcu umieszczono wnioski, z przeprowadzonych badań. WSTĘP W obecnych czasach duży nacisk stawia się na bezpieczeństwo żeglugi. Tworzy się coraz to bardziej zawansowane technologicznie urządzenia, mające zapobiegać zdarzeniom na morzu oraz wspomagać prowadzenie nawigacji. Idealnym tego przykładem jest statkowy system AIS. Działa na zasadzie transpondera, który operuje w paśmie VHF i jest zdolny do obsługi ponad 4500 raportów na minutę. Aby uniknąć wzajemnego zagłuszania stosuje technikę dostępu SOTDMA (ang. Self Organizing Time Division Multiple Access). Każda jednostka nadaje przez krótki czas, powtarzając nadawanie w odstępach zależnych od prędkości i zmiany kursu. Nadajnik wysyła informacje dotyczące m.in.: nazwy statku, pozycji, kursu, prędkości, typu jednostki, statusu nawigacyjnego itd. Urządzenie składa się z transmitera VHF, dwóch odbiorników TDMA (ang. Time Division Multiple Access), jednego odbiornika VHF DSC oraz standardowego łącza morskiego, opartego na standardzie NMEA Dane o pozycji pobierane są z systemu GPS, ze wspomaganiem DGPS, w celu zwiększenia dokładności pozycji. Pozostałe informacje pobierane są elektronicznie z innych urządzeń statkowych np. żyrokompasu, logu. Wykorzystując urządzenie AIS, oraz autorskie oprogramowanie, podjęto próbę transmisji zaszyfrowanej informacji do innej jednostki pływającej. W tym celu wykorzystano dwa odbiorniki tego samego producenta. OPIS ROZWIĄZANIA Do transmisji zaszyfrowanych informacji wykorzystano: transponder AIS (Saab R4S), aplikacji komputerowej (utworzonej w środowisku Microsoft Visual Studio 2008, wykorzystującej biblioteki.net Framework 3.5) 37

38 Umecki Dominik, Krzysztof Naus oraz komputera klasy PC. Aplikacja spełnia dwa podstawowe zadania: generuje i dekoduje binarnie zaszyfrowaną depesze AIS. Za kryptografie odpowiadają trzy algorytmy szyfrujące: DES (ang. Data Encryption Standard), RSA (Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman) oraz Szyfr Cezara. Zarówno dekoder jak i generator, zawierają 31 wygenerowanych kluczy. Podczas transmisji użytkownik podaje numer klucza, a aplikacja zapisuje jego wartość w 5 bitach. Gdy dekoder odbierze wiadomość, odczytuje numer klucza z depeszy i rozszyfrowuje ją. METODA KODOWANIA NAGŁOWKA ZASZYFROWANEJ DEPESZY OPERACYJNEJ Wszystkie dane, transmitowane przez urządzenie AIS, mają postać jawną. Każda wiadomość jest automatycznie odbierana i dekodowana. Dzięki temu użytkownik ma dostęp do informacji o jednostkach znajdujących się w zasięgu jego odbiornika[1]. Istnieje również możliwość, przesłania zaszyfrowanej informacji. Wykorzystując depesze operacyjna, użytkownik może utajnić dane, a następnie wysłać je do innej jednostki. Wymaga to jednak wzbogacenia nagłówka o dodatkowe pola, w celu łatwiejszego zidentyfikowania wiadomości. Należy zwrócić uwagę, że szyfrowaniu podlega tylko pole z danymi, a nie cała depesza. Do utajniania danych, warto wykorzystać popularne algorytmy szyfrowania, takie jak RSA czy DES. Pomimo, iż są dość leciwe to nadal stosuje się w różnych systemach. Wyróżnia je przede wszystkim, wysoka odporność na krypto-analizę. Szyfrując dane, warto wykorzystać podwójne szyfrowanie, dwoma różnymi algorytmami. Czyni to kryptogram praktycznie niemożliwy do złamania. W tab. nr 1. przedstawiono standardowy nagłówek wiadomości operacyjnej[4], wzbogacony o pola odpowiedzialne za kryptografię. Stosując podwójne szyfrowanie, utajnianie odbywa się w następujący sposób: 1. Dane zostają zaszyfrowane algorytmem DES/RSA. 2. Otrzymany kryptogram, zostaje zaszyfrowany Szyfrem Cezara. 3. Ostateczny kryptogram, zostaje zamieniony na postać binarna. Wykorzystując pojedyncze szyfrowanie, pomija się punkt nr 2 oraz pole klucza - Szyfru Cezara. Zatem długość nagłówka, zmienia się dynamicznie, w zależności od wykorzystanych algorytmów szyfrujących. By zapewnić uniwersalność wysyłanych informacji, pole Wolna przestrzeń będzie kodowane w siedmio bitowym ASCII (ang. American Standard Code for Information Interchange). Umożliwia to wysyłanie danych w postaci liczbowej jaki i tekstowej. Nie jest to w pełni optymalne rozwiązanie, ale pozwala na wysłanie praktycznie każdej informacji. 38

39 Standardowe pola nagłówka depeszy Dodatkowe pole nagłówka Generowanie utajnionej depeszy systemu AIS Tab. 1. Nagłówek depeszy operacyjnej, wzbogacony o pola odpowiedzialne za kryptografię. Nazwa pola Liczba bitów Opis pola Numer wiadomości 6 Zawsze będzie 6. Wskaźnik przetwarzania 2 Wskazuje ile razy wiadomość powtórzyć ID Źródła 30 Numer MMSI AIS nadającego Numer sekwencyjny ID adresata 30 Pakiet retransmisji 2 Liczba od 0 do 3. 1 Numer MMSI urządzenia, do którego wiadomość jest adresowana 0 bez retransmisji, 1- wiadomość retransmitowana Bit zapasowy 1 Nieużywany, do przyszłego użytku Identyfikator zastosowań 16 FI DAC 6 10 Szyfrowanie 1 Bez szyfrowania Szyfrem Cezara Dane Binarne od 1 do 8 1 Szyfr Klucz 1 7 Szyfrowanie 2 6 DES RSA Szyfrowanie 1 + klucz 5 (31 kluczy) Wolna przestrzeń Razem 1008 Zajmuje do 5 ramek elementarnych METODA KODOWANIA TREŚCI DEPESZY OPERACYJNEJ Stosując powyższe rozwiązanie, podjęto próbę zaszyfrowania słowa AMW, oraz umieszczenie go w depeszy binarnie adresowanej. W tym przykładzie, zastosowano szyfrowanie symetryczne DES, oraz szyfrowanie przestawne Szyfr Cezara. Generując depesze, należy: 1. Zaszyfrować podane zdanie, a następnie uzupełnić dane nagłówka. 39

40 Umecki Dominik, Krzysztof Naus 2. Podane wartości zamienić na postać binarna. 3. W przypadku gdy liczba bitów nie jest wielokrotnością 6, dodać bity wypełnienia. 4. Bity zamienić na znaki 6 bitowego kodowania ASCII. W tab. 2. przedstawiono cześć kryptograficzną omawianego przykładu (podwójne szyfrowanie): Tab. 2. Podwójne szyfrowanie dwoma algorytmami Tekst jawny Klucz Szyfru DES Kryptogram Klucz Szyfru Cezara Ostateczny kryptogram AMW Polska3123 1o4gTQZuB wg= 2 3q6iVS\wDy i? Na rys 1. przedstawiono algorytm kodowania treści depeszy. W nawiasach umieszczono przykładowe wartości pól nagłówka oraz otrzymany kryptogram. 40

41 Generowanie utajnionej depeszy systemu AIS Rys. 1. Algorytm kodowania treści depeszy AIS PROGRAMOWA IMPLEMENTACJA OPRACOWANEJ METODY Aby w pełni przedstawić zastosowanie powyższego rozwiązania, stworzono dwie aplikacje: generator i dekoder depeszy AIS. Na rys. 2. przedstawiono okno główne aplikacji, nazwanej Generator depeszy AIS. Program służy do wygenerowania zaszyfrowanej depeszy AIS (zakodowanej zgodnie z ITU 1371) oraz jej transmisji przez port szeregowy RS-232C do urządzenia AIS. Okno składa się przede wszystkim, z szeregu pól, gdzie zostają wprowadzone parametry depeszy. Należy zwrócić uwagę, na kolejność wprowadzania danych. Aplikacja przetwarza, podaną 41

42 Umecki Dominik, Krzysztof Naus informacje na bieżąco, także jeśli któryś z parametrów zostanie wprowadzony w złej kolejności, to depesza będzie niepoprawnie zdefiniowana. Rys. 2. Okno główne aplikacji "Generator depeszy AIS". Na początek należy podać, dwa parametry nagłówka NMEA (na rys.2. oznaczenie nr 1): kanał AIS, w którym będzie rozgłaszana wiadomość, oraz numer widomości sekwencyjnej. Kolejnym krokiem, jest wypełnienie pól odpowiedzialnych, za nagłówek części binarnej(2). Następnie użytkownik ma do wyboru, rodzaj algorytmu(3) jaki będzie użyty do szyfrowania informacji i numer klucza. Treść informacji wpisuje się w pole nr 4, a otrzymany kryptogram wyświetli się w polu nr 5. Kolejna operacja, to wybór drugiego szyfrowania(6). Można pominąć ta operacje, zaznaczając opcje Bez szyfrowania, lub otrzymany wcześniej kryptogram, utajnić Szyfrem Cezara. Podawane wartości, są na bieżąco zamieniane na bity i wyświetlane w polu nr 7. Na tej podstawie prowadzona jest statystyka(10). W polu nr 8 następuje układanie bitów po 6 w linii, tak by umożliwić zamianę ich na znaki drukowane 6-bitowego ASCII. Wygenerowana depesza zostaje wy- 42

43 Generowanie utajnionej depeszy systemu AIS świetlona w polu nr 9 i można ją bezpośrednio przesłać do urządzenia AIS, portem RS-232C. Generator startuje z domyślnymi ustawieniami portu i nie trzeba ich zmieniać. Oprogramowanie dekodera depeszy AIS, jest dużo bardziej rozbudowane od generatora. Musi ono realizować szereg funkcji związanych z odbiorem danych i późniejszą ich obróbką. Rys. 3. Okno główne aplikacji "Dekoder". Aplikacja reaguję tylko na depeszę binarne-adresowane, pozostałe są ignorowane i nie podlegają dekodowaniu. Przed rozpoczęciem pracy z programem należy połączyć się z urządzeniem AIS, wybierając odpowiedni port(1). W polu nr 3 wyświetlą się wszystkie odebrane depeszę. Gdy aplikacja odbierze binarną depeszę adresowaną, to automatycznie ja rozkoduje, a następnie rozszyfruje(2). Dekoder posiada również, funkcje detekcji błędów. Mając wcześniej wygenerowana depeszę, można sprawdzić jej poprawność, poprzez wprowadzenie jej do pola nr 4. Aplikacja zasymuluje odbiór tej depeszy z portu podłączonego do AIS i rozkoduję ją (Rys. 4). W przypadku odebrania nieprawidłowej wiadomości, wyświetli się komunikat o błędzie. Depesze złożone z więcej niż jednego zdana, są przechwytywane w locie i łączone. 43

44 Umecki Dominik, Krzysztof Naus Rys. 4. Symulacja odbioru depeszy. W celu przetestowania programów, wysłano niejawną depesze, ze szkolnego stanowiska, wyposażonego w AIS Saab R4S, do innego stanowiska, wyposażonego w ten sam odbiornik. Sposób komunikacji urządzeń przedstawiono na rysunku nr 5. Rys. 5. Komunikacja urządzeń podczas transmisji. Aby transmisja depeszy, zakończyła się powodzeniem, zastosowano wywoławcze pole adresowe. Wymusza ono na transponderze, wysłanie określonego typu depeszy. Poniżej przedstawiono jego strukturę[3]. Rys. 6. Wywoławcze pole adresowe. Zatem utworzoną wcześniej depeszę, należy poprzedzić polem $AIAIQ i z otrzymanego ciagu, obliczyć sumę kontrolną, oraz umieścić ją na końcu zdania. Poniżej przedstawiono, przykładowo wygenerowana depeszę, którą wysłano do drugiego stanowiska. 44

45 Generowanie utajnionej depeszy systemu AIS Rys. 7. Przykładowo wygenerowana depesza Odbiór wiadomości, był natychmiastowy. Aplikacja automatycznie rozkodowała, a następnie rozszyfrowała depeszę. Wynik doświadczenia zaprezentowano na rysunku nr 8. Rys. 8. Odbiór zaszyfrowanej depeszy. 45

46 WNIOSKI Umecki Dominik, Krzysztof Naus 1. Urządzenie AIS umożliwia transmisje dowolnej informacji, wymaga to jednak zastosowania specjalnych identyfikatorów zastosowań. 2. Binarne kodowanie treści depeszy pozwala na przesłanie informacji znacznie mniejszym kosztem (dana wiadomość zajmuje mniej bitów, niż miało by to miejsce przy standardowym protokole znakowym). 3. Użytkownik może, zwiększyć funkcjonalność depeszy, rozbudowując nagłówek o dodatkowe pola. 4. Transmisja depeszy, wymaga stosowania dodatkowego pola wywoławczego BIBLIOGRAFIA [1] Wawruch R., Uniwersalny Statkowy System Automatycznej Identyfikacji, Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia [2] PKN-IEC / PAS [3] [4] Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Felski 46

47 Piotr Bekier, Dariusz Szulc F O R U M N A W I G A C J I W I O S N A Akademia Marynarki Wojennej ZASIĘGI DETEKCJI OBIEKTÓWPODWODNYCH Z WYKORZYSTANIEM PASYWNYCH SYSTEMÓW HYDROAKUSTYCZNYCH The basis of every defence systems is undoubtedly the detection subsystem which is also responsible for defence effectiveness. Majority of detection systems intended for detecting underwater objects is working in the active mode, what makes their design and main parameters not suitable to passive detecting of submerged objects. In the following article an analysis of operation range of underwater detection systems working in the passive mode has been presented. Simulations were carried out for exemplary hydroacoustic systems, including warships hull mounted sonars and towed array sonars. Presented effects of the simulation ranges of passive detection were based on hydrological conditions over the Baltic Sea. Executed simulation researches make it possible to estimate the detection range of underwater objects in the passive mode. WPROWADZENIE Działanie pasywnych urządzeń hydrolokacyjnych oparte jest na odbiorze pierwotnego pola akustycznego celu. Zgodnie z ogólnymi wymaganiami technicznymi, zadziałanie kanału pasywnego jest możliwe, jeżeli ciśnienie odbieranego pola akustycznego (P U) pozwala wydzielić sygnał użyteczny na tle zakłóceń (P z): P (1) U P Z gdzie: P U ciśnienie sygnału użytecznego *Pa+, P z ciśnienie zakłóceo *Pa+, δ bezwymiarowy, progowy współczynnik rozpoznawania. 47

48 Piotr Bekier, Dariusz Szulc MINIMALNE CIŚNIENIE SYGNAŁU UŻYTECZNEGO Rozpatrując przejście fali akustycznej od obiektu do przetwornika systemu hydrolokacyjnego (SHL), tzn. tylko w jedną stronę, ciśnienie odbierane przez przetwornik odbiorczy (P pad), oblicza się wg następującej zależności [4]: P 0 0,1 d 10 Ppad 10 (2) 2 d gdzie: P 0 ciśnienie pola akustycznego celu w odległości r 0 = 1 m [Pa], d odległość od obiektu do przetwornika odbiorczego [m], β współczynnik tłumienia [db/m]. Aby uzyskać ciśnienie sygnału użytecznego (P U) na wejściu przetwornika odbiorczego SHL, należy w wyrażeniu (2) uwzględnić dodatkowo współczynnik charakterystyki kierunkowości anteny odbiorczej (R p(α) odb), wobec czego: P 3 o 0,05 d 10 PU Ppad Rp( ) odb Rp( ) odb 10 (3) d Ciśnienie szumów własnych obiektu namierzanego (P 0) można znaleźć na drodze bezpośrednich pomiarów lub obliczyć z empirycznych wzorów i uzyskane w ten sposób wyniki wykorzystać do obliczeń. Dla przykładu, ciśnienie szumów własnych torped przeznaczonych do zwalczania okrętów nawodnych, poruszających się na głębokościach (H t = 4 30 m) z prędkościami (v t > 20 węzłów), dla częstotliwości roboczych sonaru (f 5000 Hz), w paśmie ( f = 1 Hz), może być wyrażone następującą zależnością empiryczną [1, 8]: CIŚNIENIE ZAKŁÓCEŃ 0,91 4,8 6 v 4 t P 0 0,2 10 1,65 (4) f Ht Ciśnienie zakłóceń w punkcie odbioru można wyrazić jako sumę składowych: P P P P (5) gdzie: z el hydro spec P el ciśnienie zakłóceo elektrycznych *Pa+, P hydro ciśnienie zakłóceo hydroakustycznych *Pa+, 48

49 Zasięgi detekcji obiektów podwodnych z wykorzystaniem. P spec ciśnienie zakłóceo specjalnych *Pa+. Zgodnie z przeprowadzoną analizą, dominującą rolę w wypadkowym ciśnieniu zakłóceń (P z), odbieranych przez urządzenia hydrolokacyjne, pełnią zakłócenia okrętowe (P okr), których intensywność jest największa w porównaniu z innymi rodzajami zakłóceń. W związku z powyższym, można przyjąć, że: P P P (6) z hydro okr Uogólniona zależnośd na poziom zakłóceo okrętowych (szumów własnych) jednostek nawodnych, w paśmie ( f = 1 Hz), w zależności od prędkości okrętu, jego wyporności, częstotliwości fali akustycznej, w odległości (r) od źródła, została przedstawiona w *9+: gdzie: _ Pokr 60lg vk 9lgT 20lg f 20lg r 33,46 (7) P _ okr poziom szumów własnych dla ciśnienia odniesienia [db re 1 μpa], f częstotliwość fali akustycznej [khz], vk prędkość jednostki [węzły], T wyporność jednostki [ton], r odległość od jednostki [m]. W ciśnieniu zakłóceń okrętowych, odbieranych przez przetwornik odbiorczy stacji hydrolokacyjnej, należy uwzględnić współczynnik koncentracji osiowej (K odb) [1]: 1 Pokr Pokr (8) K OKREŚLENIE ZASIĘGU WYKRYWANIA OBIEKTÓW PODWODNYCH W TRYBIE PASYWNYM Podstawiając zależności (3) oraz (8) do (1), otrzymujemy: odb P d R odb P ,05 10 ( ) 10 okr d (9) K odb 49

50 Piotr Bekier, Dariusz Szulc Przekształcając (9) w celu otrzymania zasięgu działania SHL przy założonym ciśnieniu zakłóceo (P Z ) oraz współczynniku rozpoznawania (δ), otrzymujemy: P 3 0 K ( ) odb R odb 0,05 r 10 r Pe 10 (10) Pokr gdzie: warunków *m+ r Pe zasięg energetyczny SHL w trybie pasywnym dla zadanych PODKILOWA STACJA HYDROLOKACYJNA Z NASŁUCHEM NA F=6000HZ Na rysunku (rys. 1) przedstawiono wyniki obliczeń wg zależności (10) zasięgów wykrywania obiektów podwodnych uzyskiwanych przez wymienioną stację pracującą w układzie pasywnym, w funkcji częstotliwości roboczej, dla zadanej prędkości obiektu namierzanego oraz dla różnych prędkości nosiciela, opracowane na podstawie powyższych zależności. vm = 12 węzłów vm = 15 węzłów vm = 18 węzłów vm = 20 węzłów Rys. 1. Zasięgi wykrywania obiektów podwodnych przez stację podkilową f=6000hz w trybie pasywnym, w funkcji częstotliwości roboczej i prędkości nosiciela Na wykresach zaobserwować można charakterystyczne przegięcie krzywej zasięgu wykrywania. Częstotliwości optymalne są ściśle określone, jednakże w miarę wzrostu prędkości nosiciela, ich zakres staje się coraz większy. Dla przykładu, przy prędkości nosiciela (v m = 12 węzłów), częstotliwości optymalne zawarte są w paśmie 11,5 ±1 khz, natomiast dla prędkości poszukiwania (v m = 20 węzłów) leżą one w dużo szerszym zakresie khz. 50

51 Zasięgi detekcji obiektów podwodnych z wykorzystaniem. Niestety, zasięg detekcji obiektów podwodnych przy wykorzystaniu stacji z anteną podkilową, w przypadku pracy pasywnej, jest w dużym stopniu ograniczony wysoką wartością ciśnienia zakłóceń okrętowych. Biorąc pod uwagę częstotliwość roboczą stacji (f=6000hz), jednie przy zachowaniu mniejszych prędkości nosiciela, uzyskiwane zasięgi należy uznać za zadowalające (rys. 2). vm = 12 węzłów vm = 15 węzłów vm = 18 węzłów vm = 20 węzłów Rys. 2. Zasięg wykrywania obiektów podwodnych przez stację podkilową f=6000hz,w funkcji prędkości obiektu i prędkości nosiciela SYSTEM HYDROLOKACYJNY Z HOLOWANĄ ANTENĄ Z NASŁUCHEM F=6500HZ Na rys. 3 przedstawiono wykresy zasięgów wykrywania obiektów podwodnych uzyskiwanych przez przedmiotowy SHL w funkcji prędkości nosiciela oraz prędkości obiektu namierzanego. Analiza uzyskanych danych potwierdza fakt, że zasięgi wykrywania obiektów podwodnych uzyskane przez stację tego typu są znacznie większe od wcześniej prezentowanych. Jest to możliwe dzięki odizolowaniu przetworników odbiorczych stacji od okrętowych źródeł zakłóceń, przez co ich wpływ został zredukowany do minimalnego poziomu. Również w skrajnie niekorzystnych warunkach (mała prędkość obiektu, duża prędkość nosiciela), stacja jest w stanie zapewnić akceptowalną odległość wykrycia. 51

52 Piotr Bekier, Dariusz Szulc vm = 15 węzłów vm = 18 węzłów vm = 20 węzłów vm = 22 węzłów Rys. 3. Zasięg wykrywania obiektów podwodnych przez stację holowaną,w funkcji prędkości obiektu namierzanego i prędkości nosiciela WNIOSKI KOŃCOWE Przedstawione w pracy zasięgi uzyskano na drodze modelowania matematycznego. Zasięg działania systemów hydrolokacyjnych, zwłaszcza w rejonie Morza Bałtyckiego, w znacznym stopniu zależy od wielkości szumów środowiska. Te z kolei zależą od warunków hydrologicznych, a przede wszystkim od rozkładu temperatury wody oraz zasolenia panującego w badanym akwenie. Z analizy porównawczej wartości z krzywych zasięgów wykrywania stacji wynika, że: 1. Stacje hydrolokacyjne z anteną podkilową, pracując w trybie szumonamierzania zapewniają zadowalającą odległość wykrycia poruszających się obiektów podwodnych pod warunkiem utrzymania małych prędkości nosiciela. 2. Stacje hydrolokacyjne z anteną holowaną zapewniają wykrycie zagrożenia na bezpiecznej odległości i są zarazem najskuteczniejszym typem środków wykrywania obiektów podwodnych. BIBLIOGRAFIA [1] Dorodnych W. P., Nosow A. I., Tolstych G. A.: Teoria i eksploatacja niekontaktnych sistem minno-torpedowo orużia. Leningrad [2] Kowalik Z., Łęgowski S., Szymborski S.: Podstawy hydroakustyki. Wyd. Morskie, Gdynia

53 Zasięgi detekcji obiektów podwodnych z wykorzystaniem. [3] Matwijenko W. N., Tarasiuk Ju. F.: Dalnost dejstwia gidroakusticzeskich sredstw. Sudostroenie, Leningrad [4] Metodika rasczeta dalnosti szumo- i echopelengowania, obnarużenia signalow gidroakusticzeskich stancij i zwukopodwodnoj swiazi w razlicznych gidrologiczeskich uslowiach. [5] Podobrij G. M., Beloborodyj W. S., Chalimonow W. W., Nosow A. I.: Teoreticzeskie osnowy torpednowo orużia. Wojenizdat, Leningrad [6] Rumynskaja I. A.: Osnowy gidroakustiki. Sudostroenie, Leningrad [7] Szewczyk T.: Podstawy hydroakustyki. AMW, Gdynia [8] Teoreticzeskie osnowy ustrojstwa torped i torpednych apparatov. Uczebnik. Leningrad [9] Urick R. J.: Principles of underwater sound. Sudostroenie, Leningrad "Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy" l Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Felski 53

54 F O R U M N A W I G A C J I W I O S N A Sylwia Kaczmarczyk, Krzysztof Naus Akademia Marynarki Wojennej INTERNETOWY SERWIS INFORMACJI HYDROMETEOROLOGICZNEJ W XXI wieku dzięki rozwojowi Internetu technologie z nim związane oferują całkowicie nowe pole zastosowań. Dlatego też istotnym aspektem staje się wykorzystanie ich możliwości we współczesnej nawigacji. W artykule przedstawiono projekt internetowego serwisu wykorzystującego interfejsy WMS i WFS do udostępniania informacji hydrometeorologicznych, który może posłużyć za przykład wykorzystania możliwości nowoczesnej technologie, jaką jest WebGis. WSTĘP Rozwój nawigacji od zawsze był związany z postępem cywilizacyjnym. W XXI wieku intensywny rozwój Internetu sprawił, że technologie z nim związane przenikają do różnych dziedzin życia otwierają je na całkowicie nowe pole zastosowań. Obecnie można zauważyć, że do nawigacji przedostaje się technologia WebGis-u związana z Systemami Informacji Geograficznej(ang. Geographical Information System), umożliwiające dostęp do danych poprzez przeglądarkę WWW. Jedną z najpopularniejszych zastosowań technologii WebGis jest tworzenie map z danych zlokalizowanych na różnych serwerach. Niezwykłą popularność zyskały serwisy Google Maps i Earth. WebGis wykorzystywany równie jest do tworzenia internetowy serwisów udostępniających różnorodne informacje m.in. informacje hydrometeorologiczne, dane o natężeniu ruchu na akwenie, itp. Jest to możliwe przy wykorzystaniu standaryzowanych przez OGC (ang. Open Geospatial Consortium) interfejsów WMS (ang. Web Map Service) i WFS (ang. Web Feature Service)[6][4][5]. Kierując się powyższymi przesłankami podjęto próbę stworzenia internetowego serwisu udostępniającego informacje uzyskane z pomiarów parametrów meteorologicznych i hydrologicznych wykonanych przez Morskie Stacje Hydrometeorologiczne. 54

55 ARCHITEKTURA SYSTEMU Internetowy serwis informacji hydrometeorologicznej Tworzone obecnie systemy WebGis oparte są na architekturze klient serwer, w której powszechnie stosuje się podział systemu na trzy warstwy: warstwę klienta(użytkownika) komputer podłączony do Interne- tu, warstwę pośrednią serwer http obsługujący serwisy WMS i WFS np. serwer Microsoft ISS (ang. Internet Information Services), warstwę bazy danych (podstawową) System Zarządzania Bazą Danych (SZBD) wraz z plikami bazy danych. Poszczególne elementy architektury wykonują następujące zadania: Klient komputer wyposażony w przeglądarkę internetową, który przyjmuje i przekazuje żądania użytkownika do serwera http, Serwer http - odbiera żądania od klienta, łączy się z serwerem bazy danych i wyświetla na wygenerowanej stronie WWW wyniki żądania klienta, System Zarządzania Bazą Danych odbiera, magazynuje oraz w odpowiednich odstępach czasu konwertuje do pliku typu GML (ang. Geography Markup Language )[3] dane przekazywane przez Morskie Stacje Hydrometeorologiczne. Warstwa klienta i serwera obsługiwane są przez gotowe oprogramowanie wymagające jedynie odpowiedniej konfiguracji, natomiast najbardziej rozbudowana warstwa bazy danych jest obsługiwana przez specjalnie stworzoną do tego celu aplikację. Komunikacja pomiędzy warstwami, odbywa się za pomocą sieci Systemu Automatycznej Identyfikacji AIS (ang. Automatic Identification System)[1] i Internetu. OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH KOMPONENTÓW WARSTWY BAZY DANYCH Warstwa bazy danych jest najbardziej rozbudowana warstwą systemu. Składa się z następujących komponentów: Morskiej Stacji Hydrometeorologicznej wraz z transponderem AIS, Bazy danych z Systemem Zarządzania Bazą Danych. 55

56 Sylwia Kaczmarczyk, Krzysztof Naus Sied AIS GML Morska Stacja Hydrometeorologiczna Kodowanie Kodowanie Internet Baza danych z SZBD Rys. 1 Schemat funkcjonalny warstwy bazy danych Warstwa bazy danych odpowiedzialna jest za: pomiar parametrów hydrometeorologicznych, kodowanie danych zgodnie ze standardem NMEA 0183 i ITU 1371, przesłanie danych do bazy danych za pomocą sieci AIS, przechowywanie oraz konwersje danych do plików w formacie GML, wysyłanie w odpowiednich odstępach czasowych danych na serwer. Morską Stacją Hydrometeorologiczną można nazwać zestaw czujników służących do mierzenia parametrów hydrometeorologicznych. Popularnym rozwiązaniem jest umieszczenie urządzeń pomiarowych na pławie. Komunikacja między pławą a bazą danych odbywa się za pomocą Sieci AIS. W najprostszym ujęciu Morska Stacja Hydrometeorologiczna skała się z: zestawu czujników hydrometeorologicznych, modułu centralnego zawierającego oprogramowanie Stacji wraz z transponderem AIS, anteny transpondera AIS. 56

57 Internetowy serwis informacji hydrometeorologicznej Natomiast baza danych z Systemem Zarządzania Bazą Danych (SZBD) odpowiedzialna jest za odbiór depeszy AIS, odkodowanie danych, zapis danych w plikach typu dba, mdx a następnie zakodowanie ich do plików typu GML i w odpowiednich odstępach czasowych wysłanie ich na serwer. KODOWANIE DANYCH Parametry hydrometeorologiczne mierzone w Stacji są przesyłane do bazy danych poprzez Sieć AIS przy wykorzystaniu wiadomości nr 8 - Binarna Rozgłoszeniowa Wiadomość BBM (ang. Binary Broadcast Message) zalecanej przez Rekomendacją IALA A 126[2]. Dane przesłane siecią AIS kodowane zgodnie z Rekomendacją ITU-R M.1371 w sześciobitowe pola danych. Przy wykorzystaniu wiadomości nr 8 można wysłać 968 bitów danych. W celu zmniejszenia liczby wykorzystywanych zdań do transmisji stworzono przykładowe formaty wiadomości w zależności od rodzaju transmitowanych parametrów. W Tab. 1 przedstawiono strukturę wiadomości nr 8. Każda wiadomość niezależnie od przesyłanych danych zawiera blok parametrów obowiązkowych takich jak: identyfikator danych - DAC (ang. Destination Area Code) i Identyfikator Funkcji FL oraz identyfikator wiadomości, czas wykonania pomiarów, nazwę i pozycję geograficzną Stacji. Tab. 1 Struktura wiadomości nr 8 Parametry Liczba Opis bitów ID wiadomości 6 Identyfikator dla wiadomości nr 8 Wskaźnik powtarzania 2 Wskazuje ile razy dana wiadomość będzie powtarzana ID użytkownika 30 Numer MMSI użytkownika Wolne bity (*) 2 Nieużywane, powinny być ustawione na zero Dane binarne Max 968 Identyfikator danych 16 bitów Całkowita liczba bitów Max 1008 Dane Max 952 bitów Przykład zamieszczony poniżej prezentuje format wiadomości przesyłający parametry meteorologiczne. 57

58 Sylwia Kaczmarczyk, Krzysztof Naus DAC FI * ID wiadomości Czas S. S Nazwa Stacji T A C J Nazwa Stacji Długość geograficzna A 1 5º05 N J Długość geograficzna Szerokość geograficzna º05 N 27º05 E Szerokość geograficzna Prędkość wiatru º05 E 6,7 w Kierunek wiatru Prędkość porywów wiatru Kierunek º 12,3 w 214º..porywów * wiatru º 0 Częstość transmisji danych jest uzależniona od liczby Stacji oraz natężenia ruchu w danym akwenie. Wraz ze wzrostem liczby Stacji oraz natężenia ruchu należy zmniejszyć częstość transmisji danych tak, aby zminimalizować wpływ działania systemu na normalną pracę Sieci AIS. Zgodnie z wymaganiami specyfikacji WFS informacje udostępniane za pomocą serwisów WFS i WMS powinny być zapisane w języku GML, który jest językiem znaczników bazującym na XML (ang. Extensible Markup Language) służący do opisu, przechowywania i transportowania danych przestrzennych. Dlatego też System Zarządzania Bazą Danych, przesłane przez sieć AIS dane z Morskiej Stacji Hydrometeorologicznej, koduje do 58

59 Internetowy serwis informacji hydrometeorologicznej postaci GML. Następnie poprzez zastosowanie polecenia <Insert> dane w postaci plików GML zostają wysłane (dodane) na serwer http. Poniższy kod przestawia strukturę polecenia <Insert>: <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <wfs:transaction service="wfs" version="1.1.0b xmlns:wfs=" xml:xsi= xsi:schemalocation=" <wfs:insert> <stacja>... </stacja> </wfs:insert> </wfs:transaction> kod wiadomości WIZUALIZACJA I DOSTĘP DO DANYCH Schema-instance GML tak jak wszystkie języki z rodzinny XML opisuje jedynie zawartość dokumentu. Do opisu sposobu prezentacji wykorzystuje się osobny dokument stworzony w języku XLS (ang. Extensible Stylesheet Language). Zastosowaniu narzędzi języka XML i GML pozwala na oddzielenie danych, umieszczanych na serwerze, od sposobu ich wizualizacji. Zaletą takiego rozwiązanie jest niewątpliwie możliwość dowolnej adaptacji danych w innych systemach. W wyniku połączenia dokumentu GML i XSLT zostaje wygenerowana strona WWW prezentująca wyniki pomiarów. Na Rys. 2 przedstawiono przykładowy sposób prezentacji parametrów meteorologicznych. Dostęp do danych zawartych na serwisie można uzyskać stosując następujące zapytania oferowane przez interfejs WMS: GetCapabilities - polecenie wysyłane do serwera w celu uzyskania metadanych, czyli danych opisujących dane zgromadzone na serwerze oraz sposobu dostępu do nich, GetMap - poleceniem wysyłanym do serwera w celu uzyskania obrazu z lokalizacją Stacji, GetFeatureInfo umożliwia uzyskanie danych na temat Stacji oraz parametrów hydrometeorologicznych. 59

60 Sylwia Kaczmarczyk, Krzysztof Naus PODSUMOWANIE Rys. 2 Wygląd strony WWW prezentującej wyniki pomiarów Tworzone obecnie systemy WebGis implementowane są w architekturze trójwarstwowej (klient - serwer - baza danych), posiadają interfejsy pracujące zgodnie z serwisami WMS i WFS, a udostępniane dane zapisane są w języku GML. Wykorzystywanie opracowanych przez OGC serwisów WMS i WFS oraz języka GML pozwalają na integracje danych i funkcji w różnych systemach GIS. Architektura trójwarstwowa z jednej strony pozwala na rozproszenie komponentów, co uwalnia systemy z ograniczeń przestrzennych, a z drugiej ułatwia modernizację i skalowanie systemów. Dodatkową zaletą przy wykorzystaniu klienta cienkiego jest brak konieczności instalowania dodatkowego oprogramowania oraz małe wymagania sprzętowe. Natomiast wykorzystanie narzędzi języka XML i GML pozwala na oddzielenie danych, umieszczanych na serwerze, od sposobu ich wizualizacji, co pozwala na dowolną adaptację danych w innych systemach. 60

61 LITERATURA Internetowy serwis informacji hydrometeorologicznej [1] DRAFT REVISION OF RECOMMENDATION ITU-R M.1371 Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band, Genewa 2001 [2] IALA Recommendation A-126 On The Use of the Automatic Identification System (AIS) in Marine Aids to Navigation, IALA AISM 2003 [3] Open Geospatial Consortium Inc.: OpenGIS Geography Markup Language (GML) Encoding Standard, 2007 [4] Open Geospatial Consortium Inc.: OpenGis Web Map Server Implementation Specification, 2006 [5] Open Geospatial Consortium Inc.: Web Feature Service Implementation Specification, 2005 [6] The Open Geospatial Consortium, Inc Recenzent: dr hab. inż. Artur Makar 61

62 F O R U M N A W I G A C J I W I O S N A Stanisław Kołaczyoski, Artur Cywioski Akademia Marynarki Wojennej Analiza widmowa wody dla potrzeb laserowego określania położenia obiektu podwodnego W artykule zaprezentowano wybrane zagadnienia dotyczące właściwości transmisyjnych różnych wód, w tym bałtyckich. Przedstawiono zależność transmisji wody morskiej ze współczynnikiem ekstynkcji wody c( ), będącym reprezentatywnym parametrem własności optycznych wody. Opisano także wpływ tego współczynnika na zasięg wykrywania obiektów podwodnych metodą laserową. Artykuł ten to także skrótowa prezentacja wyników wieloletnich badań nad transmisją wód zatokowych i morza otwartego południowego Bałtyku. Analiza otrzymanych wyników badań oraz przyjęte założenia pozwoliły na przeprowadzenia symulacji określających rzeczywiste zasięgi wykrycia obiektów podwodnych w badanych rejonach metodą laserową. 1. RÓŻNORODNOŚĆ TRANSMISJI WODY MORSKIEJ Rozkłady spektralne osłabiania promieniowania widzialnego i ultrafioletowego w wodach morskich i oceanicznych są silnie zróżnicowane i dodatkowo zmienne w czasie (zmiany sezonowe). Zróżnicowanie to wynika ze zmienności koncentracji w wodzie różnych składników istotnych optycznie. Te składniki to zawieszone cząstki, substancje organiczne i różne pigmenty. Składniki te występować mogą w różnych wodach w bardzo zróżnicowanych stężeniach i od ich zawartości w wodzie zależeć będą jej właściwości optyczne, w tym zdolność transmisji promieniowania o różnej długości fali. Za efekt ten odpowiedzialne są zjawiska absorpcji promieniowania przez cząstki zawarte w wodzie oraz rozpraszania promieniowania na cząstkach. Ostatecznie prowadzi to do zmiany kształtu widma transmisji wody i różnego, zmiennego współczynnika tłumienia (ekstynkcji) promieniowania optycznego o określonej długości fali. Przykładowe charakterystyki widmowe osłabiania promieniowania optycznego zarejestrowane w różnych rejonach morskich przedstawia 62

63 współczynnik ekstynkcji c( ) [m -1 ] Analiza widmowa wody dla potrzeb laserowego określania rysunek 1. Na poniższych charakterystykach widoczne jest mocne zróżnicowanie widma współczynnika ekstynkcji c( ) dla różnych wód. Zróżnicowanie to świadczy o odrębności natury wody morskiej. Odrębność ta stanowi wynik różnych procesów zachodzących w wodzie, zarówno geochemicznych czy termodynamicznych, jak i biologicznych. Zróżnicowane charakterystyki przebiegu oraz stopnie ich nachylenia w różnych zakresach widmowych, zwłaszcza w części krótkofalowej, są głównie wynikiem zawartości w wodzie różnych substancji Zatoka Gdaoska Zatoka Chesapeake Bałtyk Wody oceanu Czysta woda długośd 0 fali 0 [nm] Rys.1: Charakterystyki widmowe współczynnika ekstynkcji c( ) w różnych rejonach Bałtyku i dla różnych wód [1] W najczystszych wodach oceanicznych (środkowy Pacyfik) minimum osłabiania przypada na zakres nm. W wodach oligotroficznych, bardzo ubogich w substancje biogenne i organiczne, zaliczanych do pierwszego rodzaju wód, minimum osłabiania promieniowania przesunięte jest w przedział nm i wzrasta aż do 510 nm dla wód eutroficznych. Dla wód śródziemnych i półzamkniętych, czyli dla wód drugiego rodzaju, do których zaliczany jest również Bałtyk, minimum osłabiania przesunięte jest w kierunku fal dłuższych tzn. na zakres nm a w rejo

64 Stanisław Kołaczyński, Artur Cywiński nach będących pod wpływem oddziaływania dużych ujść rzecznych może przesuwać się nawet do 600 nm. W zależności od rodzaju cząstek i ich wielkości, za stopień osłabiania promieniowania optycznego w wodzie morskiej i całkowity kształt widma transmisji tego promieniowania odpowiadać będą różne mechanizmy [1]. WSPÓŁCZYNNIK C( ) JAKO WYZNACZNIK ZDOLNOŚCI TRANSMISYJNYCH WODY I ZAKRESU LASEROWEGO WYKRYWANIA OBIEKTÓW PODWODNYCH Na poszukiwanie i określanie położenia obiektu podwodnego metodą laserową mają wpływ cztery zasadnicze grup czynników. Obok parametrów układu laserowego, metody poszukiwania obiektu podwodnego oraz cech obiektu, wyróżnia się także parametry środowiska, w jakim znajduje się obiekt i w jakim propagować się będzie wiązka promieniowania. Do zasadniczych parametrów środowiska wodnego wywierających wpływ na wykrycie obiektu podwodnego zalicza się: właściwości optyczne wody oraz panujące warunki hydrometeorologiczne. Optyczne właściwości wody to wypadkowa oddziaływania całej materii organicznej i nieorganicznej, która się w tej wodzie znajduje, a ta zdeterminowana jest przede wszystkim przez położenie geograficzne, głębokość akwenu, zlewiska rzek czy porę roku. Do najistotniejszych warunków hydrometeorologicznych wywierających wpływ na możliwość wykrycia obiektów podwodnych a nawet determinujących podjęcie działań do stosowania metody laserowej zaliczyć należy: stan morza, kierunek prądów morskich, zasolenie wody, temperaturę wody, występowanie upwellingów 1 i downellingów jak również siłę wiatrów. Analizując optyczne właściwości wody morskiej, a przede wszystkim charakter ich zmian pod wpływem szeregu innych czynników (szerokość geograficzna, pora roku, skład wody itp.), możliwe jest określenie wpływu środowiska wodnego ma możliwość laserowego poszukiwania i określenia położenia obiektów znajdujących się pod powierzchnią wody. Czasowo przestrzenne zmiany radiacji w zależności od właściwości optycznych ośrodka opisuje tzw. równanie przenoszenia energii, które w uproszczonej formie przyjmuje postać: 1 Upwelling to pionowy prąd występujący, zwykle przy brzegu, w wyniku którego następuje wynoszenie na powierzchnię wód pochodzących z głębszych warstw morza zgodnie z teorią Ekmana. Upwelling przybrzeżne na obszarach Bałtyku są słabo rozpoznane, a ze względu na małe prędkości zachodzenia zjawiska (około 10-4 m/s), nieregularność oraz niewielką skalę przestrzenną i czasową obserwowane jest raczej dzięki skutkom, jakie wywołuje niż bezpośrednim pomiarom przepływów pionowych [2]. 64

65 Analiza widmowa wody dla potrzeb laserowego określania dl dr cl L* L gdzie: L radiacja rozchodząca się w określonym kierunku [W/m2sr]; L funkcja drogowa [W/m3sr]; L funkcja źródłowa [W/m3sr]; c( ) całkowity współczynnik osłabiania światła. Równanie 1 w pewien sposób definiuje współczynnik osłabiania światła i jest podstawą do jego wyznaczenia. Przy założeniu, że promieniowanie (luminancja energetyczna) transmitowane jest odpowiednio duże (generacja impulsów promieniowania laserowego o odpowiedniej energii), a za pomijalnie małe można uważać wartości funkcji drogowej L 2 i funkcji źródłowej L 3 tzn. L 0 i L 0 [1]. Równanie przenoszenia energii w ośrodku jednorodnym dla niewielkich odległości (r 1 m) sprowadza się do postaci: dl cl dr po scałkowaniu równania 2 otrzymujemy: e r L c r 0 L 0 r dr 2 L * L * (x,y,z,,, ) funkcja drogowa wyraża przyrost luminancji energetycznej na jednostkowym odcinku drogi na skutek rozpraszania promieniowania biegnącego w przestrzeni z różnych innych kierunków niż w rozpatrywanym kierunku propagacji wiązki promieniowania. 3 L L (x,y,z,,, ) funkcja źródłowa wyraża wzrost wartości transmitowanej luminancji energetycznej na skutek istnienia na jej drodze dodatkowych źródeł promieniowania takich jak np. fluorescencja fitoplanktonu i substancji organicznych, bioluminescencja niektórych mikroorganizmów morskich, rozpraszanie Ramana. 65

66 Stanisław Kołaczyński, Artur Cywiński gdzie: L 0 wartość radiacji początkowej, L r wartość radiacji po przejściu w ośrodku drogi r. Dla tak niewielkich odległości (r 1 m) praktycznie c(r) = const, więc dodatkowo przy założeniu zależności współczynnika c od długości fali zależność (3) przyjmuje postać: L L r c( ) r e 0 c 1 L ln r L Zależność (4) jest określana jako operacyjna definicja współczynnika ekstynkcji c( ), na której opiera się zasada jego pomiaru. Stosunek L r/l 0 w powyższej zależności jest transmisją promieniowania w ośrodku na drodze r. WYNIKI BADAŃ I SYMULACJI Przebieg transmisji promieniowania w całym widzialnym zakresie widma może mieć różny charakter. W latach 2001 do 2004 prowadzono w rejonie południowej części Bałtyku badania transmisji wody w aspekcie określenia optymalnej długości fali promieniowania widzialnego propagującego się w ośrodku wodnym. W ramach badań zebrano szereg rodzin charakterystyk wód zatokowych i wód morza otwartego w badanym rejonie. Analiza otrzymanych wyników pozwoliła na dobór właściwego lasera jako źródła generacji fali elektromagnetycznej wykorzystywanej w dalmierzu laserowym. Przykładowe przebiegi transmisji wody morskiej przedstawiają poniższe rysunki 2 i 3. Transmisja wody w badanych rejonach jest bardzo zróżnicowana (rys. 3), co przejawia się nie tylko w jej wartości, ale także w przebiegu i kształcie całej charakterystyki widmowej w badanym zakresie. Dla każdego z miejsc pomiarowych widoczna jest także zmiana transmisji promieniowania w okresie całego roku (rys. 2). Czteroletnie obserwacje pozwoliły na określenie cykliczności tych zmian. Pozwoliło to na określenie okresów o najlepszej i najgorszej transmisji promieniowania laserowego w wodzie. Takie dane były podstawą do obliczenia na ile skuteczne może być wykorzystanie lasera do poszukiwania obiektów podwodnych i w jakim zakresie głębokości mogą być prowadzone takie poszukiwania z rożnym stopniem prawdopodobieństwa wykrycia obiektu podwodnego. r 0 66

67 transmisja T [%] transmisja T [%] Analiza widmowa wody dla potrzeb laserowego określania I IV V IX długość fali [nm] Rys.2: Widmo transmisji wody morskiej z rejonu Zatoki Gdańskiej z różnych sezonów w 2003 r. (punkt pomiarowy nr 2: = N, = E). Maksymalna transmisja promieniowania T max w badanym zakresie widmowym wynosi: I) = 547 nm, IV) = 650 nm, V) = 580 nm, IX) = 573 nm, XI) = 569 nm długość fali [nm] Rys.3: Widmo transmisji wody morskiej z różnych miejsc Zatoki Gdańskiej i otwartego morza z X , 3 rejon Wisłoujścia ( = N, = E). 2 rejon Zatoki ( = N, = E). 4, 5, 6 rejon morza otwartego ( = N, = E). 67

68 Stanisław Kołaczyński, Artur Cywiński Zakładając, że promieniowanie laserowe emitowane będzie z dalmierza, którego nosicielem będzie jednostka latająca znajdująca się nad powierzchnią wody, zależność na moc sygnały echa odbitego od obiektu podwodnego przyjmie postać: P SYG 2 grp NAD D 2 Odb 4 OPT R R 2 a FI exp 2 R w a 2cR w gdzie: c c( ) współczynnik ekstynkcji wody [m -1 ] 4 ; gr współczynnik strat na granicy ośrodków woda-powietrze; współczynnik odbicia od obiektu; R a odległość od optyki dalmierza do powierzchni wody; R w odległość od powierzchni wody do obiektu (głębokość obiektu); D Odb średnica źrenicy wejściowej obiektywu; OPT współczynnik transmisji obiektywu odbiornika; FI współczynnik transmisji filtru interferencyjnego. Dla przyjętych parametrów dalmierza laserowego, w oparciu o które powstał prototyp do badań w rejonie południowego Bałtyku przeprowadzono symulację zasięgów wykrycia obiektów podwodnych o różnych współczynnikach odbicia od obiektów w różnych warunkach transmisyjnych wody morskiej rys W obliczeniach przyjęto jednorodnośd ośrodka w całym przekroju rozpatrywanej głębokości tzn. stałą wartośd c( ) dla każdej głębokości, ze względu na fakt, że stanowi go niemalże w całości warstwa eufotyczna, czyli taka, w której obserwowany jest proces fotosyntezy jako mechanizmu wytwarzania produkcji pierwotnej. To właśnie zawartośd substancji biologicznych ma zasadniczy wpływ na wartośd c( ). Grubośd warstwy eufotycznej jest od dołu ograniczona tzw. głębokością kompensacyjną tzn. taką, na której ilośd wytworzonego w procesie fotosyntezy tlenu w ciągu dnia równa się ilości tlenu zużytego do oddychania przez ten sam fitoplankton w ciągu całej doby. W praktyce w okresie lata głębokośd kompensacyjna pokrywa się z głębokością, do której dociera 1% oświetlenia przypowierzchniowego w paśmie długości fal świetlnych o maksymalnej transmisji. Maksymalna grubośd warstwy euforycznej w Bałtyku, zwłaszcza w rejonach bogatych biologicznie, dochodzid może do 23 m *3+. 68

69 Analiza widmowa wody dla potrzeb laserowego określania Analiza otrzymanych wyników pozwala wnioskować, że najbardziej optymalna transmisja wody morskiej w badanych rejonach przypada na zakres: opt nm dla okresu jesienno-zimowego, oraz dla okresu wiosenno-letniego opt nm. Obecnie nie istnieją lasery pozwalające na generację w prezentowanym zakresie, które mogłyby być eksploatowane w warunkach innych niż laboratoryjne. Prowadzone są jednak prace i udaje się już uzyskiwać konwersję częstotliwości w laserze Nd YAG z 1064 nm na 627 nm [7]. Z uwagi na ten fakt oraz na istniejące rozwiązania aplikacyjne laserów generujących promieniowanie o długości fali bliskiej przedstawionemu zakresowi, uzasadnione wydaje się rozpatrzenie użycia lasera Nd YAG z konwersją częstotliwości na II-gą harmoniczną, generującego promieniowania o długości fali = 532 nm. Fakt wyboru tego typu lasera, oprócz istnienia szeregu opartych na nim dalmierzy, podyktowany jest prowadzeniem badań nad praktycznym zastosowaniem tych długości fal promieniowania do propagacji w wodzie [4], [5], [6]. Rys.4: Wykres stosunku sygnał/szum w funkcji głębokości obiektu podwodnego Rw dla różnych wartości współczynnika odbicia od obiektu i współczynnika ekstynkcji wody c( ) 532 nm. Otrzymane wyniki potwierdzają sensowność i konieczność wykorzystania promieniowania laserowego do poszukiwania i określania poło- 69

70 Stanisław Kołaczyński, Artur Cywiński żenia obiektów podwodnych. Zakres takich głębokości nie pozwala na przeszukiwania metodą laserową całego akwenu południowego Bałtyku, ale w pełni pokrywa głębokość występowania tak groźnej broni jaką są miny kotwiczne (od 0.5 do 8 m pod powierzchnią wody). Nie bez znaczenia jest prędkość wykonywania takich poszukiwań i bezpieczeństwo wynikające z przeprowadzania takich działań z powietrza. BIBLIOGRAFIA [1] Dera J. Fizyka morza, PWM, Warszawa [2] Kowalewski M., Ostrowski M. Coastal up- and downwelling in the southern Baltic, Oceanologia 47 (4), s , [3] Majewski A + zespół, Zatoka Gdańska, Wydawnictwo geologiczne, Warszawa [4] Sinclair M., Australians get on board with New Laser Airborne Depth Sounder, Sea Technology, s , VI [5] Walters B., Lidar Suitable for ASW?, Navy International, VI [6] Whitman E., Laser Airborne Bathymetry Lifting the Littoral, Sea Technology, VIII/1996. [7] Figen Z., Yalabik A., Artur O., Highly efficient wavelength conversion of Q-switched Nd:YAG laser into a red wavelength, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol 42,nr 7, s , VI Recenzent: dr hab. inż. Artur Makar 70

71 F O R U M N A W I G A C J I W I O S N A Franczak Dawid, Krzysztof Naus GENERALIZACJA DANYCH PRZESTRZENNYCH PRZY WYKORZYSTANIU ALGORYTMU DOUGLASA PEUCKERA Na wstępie przedstawione zostały zasady wykorzystania generalizacji danych w systemach informacji przestrzennej. W zasadniczej części przedstawiono działanie algorytmów generalizacji obiektów liniowych na przykładzie algorytmu Douglasa Peuckera. Algorytm ten został wykorzystany w programie pozwalającym na generalizację geometrii obiektów liniowych. Zakończenie artykułu stanowią wnioski z dyskusji nad wynikami badań generalizacji danych geometrycznych na przykładzie fragmentu linii brzegowej od Cypla Rewskiego do Cypla Oksywskiego. WSTĘP Generalizacja danych ma na celu uproszczenie reprezentowanego obrazu umożliwiając tym samym zwiększenie jego czytelności przy zmianie skali zobrazowania. Jednak uproszczenie zobrazowania nie jest procesem prostym, którego realizacja zajmie użytkownikowi parę minut. W rzeczywistości jego realizacja jest procesem bardzo złożonym. Wstępnie można ją podzielić na: zbieranie danych, stworzenie modelu zobrazowania, wstępną wizualizację danych, naniesienie poprawek, wybranie odpowiedniego algorytmu generalizacji, dobranie operatorów generalizacji i realizację algorytmu. Istnieje wiele algorytmów pozwalających na przeprowadzenie generalizacji. Ich wybór jest uzależniony tylko i wyłącznie od tego jaki cel użytkownik chce osiągnąć. Najczęściej używanymi są algorytmy globalne, a dokładniej mówiąc algorytm D P oraz Metoda Chrobaka. Zapewniają one użytkownikowi największe możliwości uproszczenia geometrii obiektu liniowego. PROCES GENERALIZACJI DANYCH PRZY WYKORZYSTANIU ALGORYTMU DOUGLASA - PEUCKERA Jak zostało już wspomniane proces generalizacji jest procesem bardzo złożonym, a jego definicja mimo wielu lat pracy nad tym zagadnieniem nie została ściśle określona. Według kartografów Kraak a oraz Ormeling a generalizacja danych jest procesem nieodwracalnym, poprzez który mapa 71

72 Franczak Dawid, Krzysztof Naus traci pewną część danych źródłowych co skutkuje zmniejszeniem jej skuteczności. Innego zdania jest natomiast dr Ostrowski, który utożsamia ten proces z procesem tworzenia modelu danego obszaru. Ma on na celu umożliwienie zapoznania się z nim poprzez poddanie go transformacjom. Jednak wszystkie definicje mają swoje podwaliny w tej opracowanej przez polskiego kartografa Lacha Ratajskiego. Określił on proces generalizacji danych jako proces redukcji pewnej liczby danych dążący do uzyskania idealnego kompromisu pomiędzy przekazaniem jak największej liczby informacji przy jak najmniejszym wykorzystaniu sygnałów graficznych [4]. Operacje tą można podzielić na dwa różne rodzaje: cyfrową generalizację kartograficzną (ang. Digital Carthographic Model - DCM) oraz cyfrową generalizację modelu (ang. Digital Landscape Model - DLM). Obie opierają się na stworzeniu modelu obszaru oraz jego wizualizacji. W modelu DLM proces generalizacji przebiega bezpośrednio na danych źródłowych zapisanych w postaci bazy danych, po którym dane zostają powtórnie poddane zobrazowaniu na ekranie monitora. Ten sam proces w przypadku modelu DCM zostaje przeprowadzony na danych już zobrazowanych. Wizualizacje te w trakcie ich generowania zostają poddawane transformacjom geometrycznym, tj.: przesunięciu, obróceniu czy skalowaniu. Proces cyfrowej generalizacji modelu jest realizowany najczęściej w dwóch płaszczyznach, tj.: jakościowej oraz ilościowej. Generalizacja jakościowa pozwala nam na ograniczenie i uproszczenie informacji zebranych w bazie danych przestrzennych. Przeprowadzenie jej jest możliwe tylko w sytuacji, gdy użytkownik posiada gruntowną wiedzę na temat charakteru danego zjawiska. Operację tą, możemy opisać jako przejście z niższego poziomu informacji do poziomu wyższego, a jego efekty można obserwować dopiero w momencie wizualizacji modelu stworzonego na podstawie bazy danych. Natomiast generalizacja ilościowa opiera się w głównej mierze na uogólnieniu informacji przekazywanej w zobrazowaniu mapy (treści mapy). Generalizacja przeprowadzana na tej płaszczyźnie odnosi się do każdego elementu zobrazowanego na powierzchni mapy m.in.: obiektu punktowego, powierzchniowego oraz liniowego. W generalizacji tej jesteśmy w stanie wyróżnić dwa podstawowe kierunki: generalizację treści oraz generalizację kształtu [2]. W przypadku generalizacji treści należy zwrócid szczególną uwagę na fakt, że jest ona przeprowadzana zarówno na poziomie projektowania bazy danych jak i na poziomie jej wizualizacji. Proces ten w głównej mierze skupia się na ograniczeniu wartości reprezentowanych przez konkretne znaki kartograficzne. Drugim przypadkiem jest generalizacja formy. Pozwala ona nam na uproszczenie całej struktury modelu danych przestrzennych (lub jego fragmentu). Jest to zmniejszenie obrazu mapy w skali 1 : 1 tak, aby zostały zachowane wszystkie jego główne cechy (stosunki przestrzenne). Jednak 72

73 Generalizacja danych przestrzennych przy wykorzystaniu.. warunkiem przeprowadzenia tego procesu jest uznanie, że obraz Ziemi w danym odwzorowaniu kartograficznym jest niezmienny. IMPLEMENTACJA PROGRAMU WYKORZYSTANIE ALGORYTMU D P Wiele algorytmów generalizacji elementów liniowych, które zostały opracowane w drugiej połowie XX wieku zostało unowocześnionych i wykorzystanych w procesie automatyzacji generalizacji danych. Zaliczamy do nich: algorytm Lang a (1969), Douglasa Peuckera (1973) oraz algorytm Chrobaka (1999). W badaniach wykorzystano algorytm Douglasa Peuckera [1]. Wybór ten został dokonany na podstawie wielkości obszaru jaki może zostać poddany generalizacji przez ten algorytm. Dokładniej rzecz ujmując został wybrany ze względu na to, iż jest on algorytmem globalnym i swoim działaniem może objąć dowolny obszar generalizowanej linii brzegowej. W celu przeprowadzenia badań przygotowano aplikację programową z zaimplementowanym algorytmem D P. Program opracowano środowisku rozwoju aplikacji Microsoft Visual Studio 2008, przy wykorzystaniu bibliotek.net Framework 3.5. Aplikacja ta realizuje następujące funkcje: wczytanie danych geometrycznych reprezentujących linię brzegową oraz ich wyświetlenie, przeprowadzenie generalizacji geometrycznej obiektu liniowego w jednym z dwóch trybów pracy, wyświetlenie otrzymanego obrazu linii brzegowej i zapisanie go do pliku. Na Rys.1. przedstawiono interfejs użytkownika programu D P. Użytkownik ma możliwość wyboru jednego spośród dwóch trybów pracy: trybu normalnego (użytkownik otrzymuje gotowy wynik generalizacji linii łamanej) oraz trybu krokowego (umożliwiającego obserwację generalizacji kolejnych odcinków łamanej). Rys. 3. Interfejs użytkownika aplikacji 73