System radarowy administracji morskiej wzdłuż wybrzeża polskiego aspekty techniczne

Transkrypt

1 KRÓLIKOWSKI Andrzej 1 STUPAK Tadeusz 2 WAWRUCH Ryszard 3 System radarowy administracji morskiej wzdłuż wybrzeża polskiego aspekty techniczne WSTĘP W ramach projektu KSBM (Krajowy System Bezpieczeństwa Morskiego) powstały na wodach polskich trzy centra kontroli ruchu morskiego w Gdyni, Ustce i Szczecin-Świnoujście podległe trzem dyrektorom urzędów morskich w Gdyni, Słupsku i Szczecinie. Na Zatoce pomorskiej organizacją ruchu zajmują się dwa równo uprawnione centra.[2] System korzysta z sieci radarów brzegowych połączonych siecią teletransmisyjną umożliwiającą zdalną obsługę urządzeń oraz przesyłanie danych w relacjach stacja radarowa - centrum kontroli i między centrami. Głównym celem budowy systemu jest poprawa bezpieczeństwa żeglugi na trasach przepływu i w systemach rozgraniczenia ruchu, oraz ochrona środowiska na akwenach przybrzeżnych polskich obszarów morskich. Radary są przeznaczone głównie do wczesnego wykrywania i dokładnego śledzenia statków na potrzeby zapobiegania wypadkom morskim i zagrożeniom ekologicznym. W drodze przetargu publicznego, zostały wybrane, zależnie od rodzaju funkcji przewidywanych do realizacji (wymaganych zakresów pracy, dokładności wskazań, itp.), następujące radary duńskiej firmy TERMA:[8] zaawansowany (Advanced) radar z rozdziałem częstotliwości (Frequency Diversity) TERMA SCANTER 2001i FD wyposażony w anteny: 18-stopową (stacja radarowa (SR) w Ustce) lub 21- stopowe pozostałe lokalizacje, standardowy (Standard) radar pracujący na jednej częstotliwości (Single Frequency) TERMA SCANTER 2001i z 18-stopową anteną kompaktową, podstawowy (Basic) radar pracujący na jednej częstotliwości (Single Frequency) TERMA SCANTER 2001i z 12-stopową anteną kompaktową. 1. PODSTAWOWE PARAMETRY EKSPOATACYJNE INSTALOWANYCH URZADZEŃ RADAROWYCH Firma Terma jest wiodącym producentem radarów brzegowych. Poniżej przedstawiono podstawowe parametry nowej serii radarów tego producenta, które zostały wybrane do instalacji we wszystkich lokalizacjach Parametry układu antenowego:[1] Radar podstawowy z anteną 12-stopową: wzmocnienie na wejściu anteny: 34 dbi, pasmo częstotliwości: 9,14-9,50 GHz, charakterystyka azymutalna (dla 3 db): 0,60, pionowa szerokość wiązki: 16 dla 3dB i 55 dla 20dB, prędkość obrotowa: obr./min, koder azymutu: 8192 impulsy (dla wszystkich typów). Radar standardowy z anteną18- stopową: wzmocnienie na wejściu anteny: 35 dbi, pasmo częstotliwości: 9,14-9,50 GHz, 1 1 Urząd Morski w Gdyni ul. Chrzanowskiego 10 mail:dum@umgdy.gov.pl 1 Akademia Morska w Gdyni Al. Jana Pawła II 3 mail: t.stupak@wn.am.gdynia.pl 3 Akademia Morska w gdyni Al. Jana Pawła II 3 mail: r.wawruch@am.gdynia.pl 4296

2 pozioma szerokość wiązki (dla 3 db): 0,42, pionowa szerokość wiązki: 16 dla 3dB, 55 dla 20dB, prędkość obrotowa: obr./min,. Radar zaawansowany z anteną 21-stopową: zysk: 38 dbi, pasmo częstotliwości: 9,140 9,470 GHz, szerokość wiązki w azymucie (dla 3 db): 0,36, prędkość obrotowa anteny: 6 60 obr/min Parametry nadajnika: [1] moc wyjściowa nominalna: 25 kw (pasmo X-Band), nominalna częstotliwość nadajnika: 9375 MHz (X-Band), częstotliwości opcjonalne: 9172 MHz, 9410 MHz, 9440 MHz, 9490 MHz, częstotliwości nadajnika z rozdziałem częstotliwości: 9170 MHz, 9438 MHz, kształt impulsu nadajnika: szybkie narastanie (20 ns), szybkie opadanie (30 ns), częstotliwość powtarzania impulsów (PRF): programowalna Hz, długość impulsu (PW): programowalna (40) ns, programowalne, zmienne odchyły częstotliwości powtarzania impulsów (PRF stagger): 0, 2, 4, 8 [%] Parametry odbiornika:[1] poziom szumów: odbiornik niskoszumowy 2 db, cały system 3,5 db (maks. 4,5 db), łańcuch odbiorczy: zmodyfikowana logarytmiczna częstotliwość pośrednia: 100 MHz zakres dynamiczny: >125 db, tłumienie sygnałów pasożytniczych w mikserze odbiorczym: 18 db (wartość typowa 20 db) Niezawodność: Zaprojektowany MTBF (średni czas między awariami) wynosi godzin, a więc radar nadaje się do instalowania w odległych lokalizacjach bez konieczności zapewnienia lokalnej obsługi. 2. LOKALIZACJE I ZASIĘGI POSZCZEGÓLNYCH RADARÓW 2.1. System TERMA SCANTER 2001i FD (Frequency Diversity rozdział częstotliwości) z anteną 21-stopową o dużym zysku W wyniku symulacji przeprowadzanych w oparciu o oprogramowanie Carpet, uwzględniając zaktualizowane parametry pracy radarów, wyznaczono zasięgi wykrycia obiektów zgodnie z wymaganiami Zalecenia IALA V-128. [6] Przepisy te wymagają wyznaczenia zasięgów wykrycia obiektów o odpowiedniej skutecznej powierzchni odbicia w dobrych warunkach meteorologicznych i podczas opadów atmosferycznych. Należy pamiętać, iż oprogramowanie Carpet pozwala jedynie symulować punktowy obiekt o określonej powierzchni skutecznej odbicia znajdujący się na zadanej wysokości nad poziomem morza, podczas, gdy obiekty rzeczywiste są obiektami ciągłymi w całej swej wysokości od poziomu morza. Dodatkowo, oprogramowanie to nie uwzględnia cyfrowej obróbki sygnału wideo przeprowadzanej przez radar, pozwalającej na dodatkową poprawę prawdopodobieństwa detekcji, szczególnie w obszarze działania zakłóceń od powierzchni morza. [7] W związku z powyższym, należy zakładać, iż uzyskane wyniki są wartościami zaniżonymi. Radar dalekiego zasięgu ma spełniać wymagania zaawansowane Zalecenia IALA V128. Z tych względów ma wykrywać obiekt o skutecznej powierzchni odbicia σ= 1000 m 2 i o wysokości 12m n.p.pm podczas stanu morza 8 przy braku opadów z odległości 20 Mm, a podczas opadów o intensywności 10 mm/h z odległości 18 Mm. Jest to duży obiekt (statek handlowy), ale obserwowany w bardzo niekorzystnych warunkach propagacyjnych. W sumie, w ramach projektu zainstalowano sześć radarów dalekiego zasięgu: pięć identycznych z anteną 21-stopową oraz jeden radar w konfiguracji z anteną 18-stopową o dużym zysku w następujących lokalizacjach: [4] 4297

3 PO Świnoujście Radar umieszczony został na dachu Punktu Obserwacyjnego Świnoujście w miejsce jednego z obecnych radarów VTMS Szczecin - Świnoujście. Wysokość zamontowania anteny radaru na wieży wynosi 42,80 m n.p.m. Pozwala ona na uzyskanie wyżej opisanych zasięgów wykrycia, odpowiednio 21,2 Mm i 18,4 Mm. Chełminek Radar umieszczony został na nowo wybudowanej wieży radarowej o wysokości 32,2 m w południowej części Wyspy Chełminek. Wysokość posadowienia anteny radaru wynosi 35,3 m n.p.m. Pozwala ona uzyskać zasięgi wykrycia 18,4 i 17,0 Mm. Ustka (radar z anteną 18 ) Radar umieszczony został na terenie obwodu Ochrony Wybrzeża Modlinek, po SW stronie budynku, na wybudowanej wieży. Wysokość zamontowania anteny radaru na wieży wynosi ok. 37 m n.p.m. Pozwala uzyskać zasięgi 19,5 i 17,2 Mm. Jego zadaniem jest obserwacja ruchu na Ławicy Słupskiej. Łeba Stacja Radarowa Łeba, zlokalizowana jest w gminie Łeba, przy ul. Kościuszki 1. Antena radaru zainstalowana jest na wysokości 30,00 m n.p.t. na konstrukcji wsporczej zamocowanej na szczycie wieży żelbetowej. Wysokość instalacji anteny nad poziomem morza wynosi 30 m + 2,4 m, tj. 32,4 m. n.p.m. Pozwala ona uzyskać zasięgi 17,7 i 16,4 Mm. Radar ten ma uzupełniać dane pochodzące z radaru w Ustce dla rejonu Ławicy Słupskiej. Władysławowo Radar został zainstalowany na wieży radarowej, która została wybudowana na główce wschodniego falochronu. Wysokość instalacji anteny wynosi 22m + 2m, tj. 24 m n.p.m., co pozwala uzyskać zasięgi wykrycia odpowiednio równe 16,2 i 14,8 Mm. Platforma Baltic-Beta Radar umieszczony został na jednej z nóg, po wschodniej stronie platformy (N55 28,877' E018 10,966'. Wysokość zamontowania anteny radaru na wieży wynosi 45,95 m n.p.m. Pozwala to uzyskać zasięgi wykrycia 20,7 i 18,6 Mm. Na rysunku 1 pokazano przykładowy wydruk z programu Carpet dla lokalizacji w Ustce. 4298

4 Rys. 1. Zasięg wyrycia radaru w Ustce [5] 2.2. System TERMA SCANTER 2001i Single Frequency (pojedyncza częstotliwość) z anteną kompaktową 18-stopową Zainstalowano czternaście identycznych radarów częściowo doposażonych w moduły dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza - SCD celem poprawy wydajności pracy, oraz wymieniono cztery pracujące radary na Zatoce Gdańskiej. Konfiguracja radarów jest zgodna z zaleceniem IALA V-128, wersja 3.0 z czerwca 2007 r. określającym zasady eksploatacji radarów poziomu standardowego (standard level) w systemach brzegowych. Powinny one wykrywać obiekt o skutecznej powierzchni odbicia σ= 3 m 2 i o wysokości 2 m n.p.m, przy stanie morza 3 i braku opadów atmosferycznych z odległości 7 Mm, a podczas opadów o intensywności 4 mm/h z odległości 4 Mm. Radaru tego typu umieszczono na następujących lokalizacjach:[8] PO Świnoujście Radar umieszczony został na dachu Punktu Obserwacyjnego Świnoujście. Wysokość instalacji anteny wynosi 36,8 m + 2,6 m, tj. 39,4 m. n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi dla wyżej wymienionego obiektu i warunków, odpowiednio 10,0 i 7,8 Mm. BON Świnoujście Radar został umieszczony na istniejącej wieży. Wysokość instalacji anteny wynosi około 34,5 m n.p.m., co pozwala uzyskać zasięgi dla wyżej wymienionego obiektu i warunków odpowiednio 8,6 i 6,2 Mm. Terminal Promowy Karsibór w Świnoujściu Radar zainstalowano na szczycie istniejącej wieży. Wysokość instalacji anteny wynosi 22 m + 1,7m, tj. ok. 23,7 m. n.p.m. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 7,9 i 6,0 Mm. 4299

5 I Brama Torowa na torze wodnym Szczecin-Świnoujście Radar zainstalowano na szczycie istniejącej wieży. Wysokość instalacji anteny wynosi 27,1m + 1,4m, tj. 28,5 m. n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 8,2 i 6,5 Mm. Police Stacja radarowa Nabieżnik Police, zlokalizowana jest w porcie morskim Police na górnej (tylnej) stawie nabieżnika. Wysokość instalacji anteny wynosi 64,5 m n.p.m., co pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 12,6 i 10,1 Mm. Elewator Snop w porcie w Szczecinie Radar umieszczono na dachu budynku. Wysokość instalacji anteny wynosi ok. 35 m n.p.m. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 9,6 i 7,4 Mm. Elewator Ewa w porcie w Szczecinie Radar umieszczono na konstrukcji o wysokości 6-8 m na dachu elewatora Ewa. Całkowita wysokość 66,5 m n.p.m. pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 13,0 i 10,2 Mm. Nabrzeże Dąbrowieckie w porcie w Szczecinie Radar zainstalowano na nowej wieży. Wysokość instalacji anteny wynosi około 32,4 m n.p.m. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 8,7 i 6,7 Mm. Kołobrzeg Stacja Radarowa Kołobrzeg, zlokalizowana została w pobliżu wejścia do portu. Wysokość instalacji anteny wynosi 21,8 m + 6,45 m, tj. 28,25 m n.p.m. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 8,4 i 6,5 Mm. Darłowo Radar umieszczony został na nowej wieży radarowej. Wysokość instalacji anteny wynosi 30,5 m n.p.m. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 8,5 i 5,7 Mm. Gdańsk-Nowy Port Antena radaru umieszczona została na dachu budynku Kapitanatu Portu Gdańsk Nowy Port na wysokości 29 m n.p.m., co pozwala uzyskać zasięgi wykrycia odpowiednio 8,7 i 6,7 Mm i obserwować statki wpływające do Nowego Portu i jednostki znajdujące się w rejonie Sopotu. Gdynia-S Radar umieszczono na wieży radarowej wybudowanej przy budynku stacji nautycznej Urzędu Morskiego w Gdyni (nabrzeże Wendy). Wysokość instalacji anteny wynosi 17,5 m + 2,4 m, tj. 19,9 m n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 7,0 i 5,4 Mm i obserwować kotwicowisko portu Gdynia oraz południowe wejście do portu. Hel-SW Radar umieszczony został na wieży radarowej wybudowanej na Falochronie Południowym. Wysokość instalacji anteny wynosi 17,5 m + 1,7 m, tj. 19,2 m n.p.m. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio7,0 i 5,4 Mm. Radar ten ma obserwować kutry rybackie, statki i jachty wchodzące do portu Hel. Hel-LM Antenę radaru umieszczono na latarni morskiej w Helu, na miejscu radaru VTS Zatoka na wysokości 42,05 m n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 10,3 i 8,2 Mm. W systemie pełni on ważną role, ponieważ umożliwia wykrycie i śledzenie statków płynących do portów Zatoki Gdańskiej. 4300

6 LM Krynica Morska Radar ten został zainstalowany w miejscu starego radaru Terma typ pracującego w systemie VTS Zatoka. Antena zainstalowana została na szczycie latarni morskiej w Krynicy Morskiej, na wysokości 55m n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 11,9 i 9,4 Mm. SR Górki Zachodnie Radar ten został zainstalowany w miejsce starego radaru produkcji Terma. Antena zainstalowana została na szczycie istniejącej wieży radarowej, na wysokości 18m n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 6,7 i 5.1 Mm. Jego głównym zadaniem jest śledzenie ruchu statków na torze podejściowym do Portu Północnego. KP Gdańsk Port Północny Radar ten został zainstalowany w miejsce starego radaru produkcji Terma. Antena zainstalowana została na szczycie istniejącej wieży budynku Kapitanatu Portu Gdańsk Port Północny na wysokości 75 m n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od powierzchni morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 13,3 i 10,5 Mm. KP Gdynia Radar ten został zainstalowany w miejsce starego radaru produkcji Terma. Antena zainstalowana została na szczycie istniejącej wieży budynku Kapitanatu Portu Gdynia na wysokości 34 m n.p.m. Radar ten wyposażony jest w moduł dyskryminatora zakłóceń od morza SCD. Pozwala uzyskać zasięgi odpowiednio 9,6 i 7,3 Mm System TERMA SCANTER 2001i Single Frequency (pojedyncza częstotliwość) z anteną kompaktową 12-stopową Zainstalowano trzy identyczne radary, które spełniają wymagania na poziomie podstawowym. Mają one wykrywać obiekt o skutecznej powierzchni odbicia σ= 10 m 2 o wysokości 3 m n.p.pm podczas stanu morza 3 przy braku opadów z odległości 4 Mm, a podczas opadów o intensywności 2 mm/h również z odległości 4 Mm. Parametry tego obiektu odpowiadają niewielkiej łodzi żaglowej. Warunki te są najmniej restrykcyjne. Ten typ radaru został zainstalowany w trzech lokalizacjach: [3] Kosa-N Radar umieszczony został na nowobudowanej wieży radarowej znajdującej się w północnej części półwyspu Kosa w Świnoujściu wysokość zainstalowania anteny to 12,12 m n.p.m. Osiągane zasięgi detekcji wynoszą odpowiednio 6,6 i 4,9 Mm. Paprotno Radar umieszczony został na nowobudowanej wieży radarowej zlokalizowanej przy Kanale Piastowskim w zachodniej części wyspy Uznam wysokość zainstalowania anteny to 16,3 m n.p.m. Pozwala on na obserwację wyżej wymienionego obiektu do 7,6 i 5,8 Mm. Inoujście Radar umieszczony został na wieży radarowej w rejonie Inoujścia -wysokość zainstalowania anteny to 15 m n.p.t. + 2,5m = 17,5 m n.p.m. Zapewnia wykrycie z odległości odpowiednio do warunków 7,8 i 6,0 Mm. WNIOSKI W ramach projektu KSBM zakupiono i zainstalowano jedne z najlepszych urządzeń radarowych aktualnie dostępnych na rynku. Doświadczenia z próbnej eksploatacji tych urządzeń są pozytywne. Wszystkie radary spełniają wymagania Zalecenia IALA V-128 z nadmiarem. Ich bardzo dobre zasięgi wykrycia nie zawsze są zaletą, ponieważ osiągnięcie dużego zasięgu odbywa się kosztem rozróżnialności odległościowej w małych odległościach od anteny. Radary na torze Szczecin 4301

7 Świnoujście będą śledzić statki tylko w małych odległościach od anteny, gdyż ukształtowanie i zabudowa terenu nie pozwalają wykrywać na większych odległościach. W tej sytuacji, instalowanie anten na wysokich budynkach nie pozwala właściwie wykorzystać możliwości detekcyjnych nowo zakupionych urządzeń. Streszczenie Artykuł prezentuje system radarowy zainstalowany przez polską administrację morską w ramach projektu KSBM Krajowy system bezpieczeństwa morskiego. Głównym celem budowy systemu jest poprawa bezpieczeństwa żeglugi na torach wodnych oraz na trasach przepływu i w systemach rozgraniczenia ruchu, a także ochronę środowiska na akwenach przybrzeżnych polskich obszarów morskich. Radary są przeznaczone głównie do wczesnego wykrywania i dokładnego śledzenia statków na potrzeby zapobiegania wypadkom morskim i zagrożeniom ekologicznym. Są one połączone siecią teletransmisyjną umożliwiającą zdalną obsługę urządzeń oraz przesyłanie danych w relacjach stacja radarowa - centrum kontroli i między centrami. W artykule przedstawiono podstawowe parametry techniczno-eksploatacyjne zakupionych radarów, miejsca ich instalacji oraz zasięgi wykrycia obliczone przy pomocy programu Carpet dla obiektów i w warunkach zdefiniowanych w Zaleceniu IALA V-128. Słowa kluczowe: radarowa kontrola ruchu morskiego, radar impulsowy, zasięg wykrycia Radar system of the Maritime Administration along the Polish coast technical aspects Abstract The article presents the radar system installed by the Polish maritime administration in the scope of project KSBM "National System of Maritime Safety". The main objective of introducing the system is to improve the safety of navigation on the fairways, routes and in traffic separation schemes, as well as environmental protection of the coastal waters in Polish maritime areas. Radars are intended mainly for the early detection and accurate tracking of ships for the purpose of preventing maritime accidents and environmental issues. They are connected to digital exchange network that allows remote handling and data transfer in relationships radar station - control centre and between control centres. The article describes the basic technical parameters of purchased radars, places of their installation and the detection ranges calculated by means of the Carpet program for objects and conditions defined in the IALA Recommendation V-128. Keywords: maritime traffic control radar, pulse radar, detection range BIBLIOGRAFIA 1. Dokumentacja projektu KSBM. Urząd Morski w Gdyni, Gdynia, Królikowski A., Stupak T., Wawruch R.: Operation of the maritime safety information systems. Transport Problems, International Scientific Journal, Volume 2, Issue 2, ISSN , Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007, pp Królikowski A., Stupak T., Wawruch R.: Realizacja Krajowego Systemu Bezpieczeństwa Morskiego. Polskie porty morskie w procesie przemian europejskiego rynku usług portowych, Szczecin 2014 Str Stupak T., Wawruch R. Modernizacja krajowego systemu łączności radiotelefonicznej na morzu dla ratowania życia Logistyka nr 4, Wawruch R., Stupak T.: The program Carpet 2 for object radar detection simulation : 11th International Conference Computer Systems Aided Science, Industry and Transport, TRANSCOMP 2006, Proceedings, Vol. 2, ISSN , pp Zalecenie IALA V-128, wersja 3.0, Stupak T., Wawruch R.: Analiza przydatności programu CARPET 2 do oceny prawdopodobieństwa wykrycia obiektów nawodnych radarem pasma X w różnych warunkach hydrometeorologicznych, Logistyka 6/2011 CD-ROM str