Automatyzacja w naziemnej radiokomunikacji morskiej w 110 rocznicę jej utworzenia

Transkrypt

1 Jerzy CZAJKOWSKI Automatyzacja w naziemnej radiokomunikacji morskiej w 110 rocznicę jej utworzenia W 2005 roku radiokomunikacja morska na świecie obchodzi kolejną okrągłą rocznicę 110-lecie działania i rozwoju radiokomunikacji w służbie na morzu. W 1895 roku Guglielmo Marconi publicznie zaprezentował wykorzystanie wynalazku Adolfa Hertza z 1887 roku, tj. stosując fale elektromagnetyczne generowane przez nadajnik zbudowany z wykorzystaniem cewki indukcyjnej i zrealizował transmisję bezprzewodowej telegrafii Morse'a. Już w 1899 roku wynalazek ten posłużył do ratowania życia na morzu. W marcu tego roku (1899) statek-latarnia, zakotwiczony w pobliżu Dover, poinformował przez radio, że parowiec Elbe wszedł na mieliznę. W odpowiedzi na tę wiadomość została wysłana jednostka ratunkowa. Pierwszą próbę transmitowania prognoz pogody podjęło Biuro Pogodowe w Stanach Zjednoczonych w 1900 roku. Do końca 1913 roku transmisje ostrzeżeń pogodowych i prognoz podjęły Wielka Brytania, Australia, Afryka Południowa i Stany Zjednoczone. W marcu 1913 roku statek Scotia, zaopatrzony w 1,5 kw nadajnik zajął pozycję na północnym Atlantyku w strefie gór lodowych. Jego zadaniem było zbieranie informacji na temat warunków lodowych panujących w tym obszarze i transmitowanie ich w postaci ostrzeżeń nawigacyjnych. Wraz z biegiem czasu i rozwoju elektroniki zakres usług świadczonych przez radio oraz ich jakość stale się poprawiały. W działalności człowieka na morzu radiokomunikacja od jej narodzin pełniła i pełni szczególną rolę zapewnienia warunków bezpieczeństwa życia i mienia, a ostatnio również bezpieczeństwa środowiska morskiego. Od radiokomunikacji morskiej oczekuje się dwu zasadniczych funkcji: M stworzenia warunków natychmiastowego alarmowania i przeprowadzania akcji ratowniczych, M umożliwienia działalności prewencyjnej, pod którą rozumie się natychmiastowe powiadamianie statków o pojawiających się nagłych zagrożeniach nawigacyjnych, pogodowych, złej widoczności, górach lodowych itp. Radiokomunikacja morska zapewnia także wymianę informacji, umożliwiającą optymalne zarządzanie siatkami, ich eksploatację oraz prowadzenie prywatnej korespondencji. Realizacja ww. funkcji była do niedawna możliwa jedynie przy zastosowaniu: M radiotelegrafii Morse'a w paśmie fal średnich, pośrednich i krótkich, M radiotelefonii pośrednio- i krótkofalowej oraz radiotelegrafii ultrakrótkofalowej. Dynamiczny rozwój żeglugi światowej spowodował, że dotychczasowy system radiokomunikacji na morzu stał się niewydolny. W świetle wad tradycyjnych metod łączności powstała * Akademia Morska w Gdyni, J.Czajkowski@urtip.gov.pl konieczność stworzenia systemu nowej generacji, który w istotny sposób mógłby podnieść stopień bezpieczeństwa życia na morzu i skuteczność ratowania. Przede wszystkim brak było automatycznego systemu zapewniającego ustanowienie łączności telegraficznej lub fonicznej w relacji brzeg-statek i statek- -brzeg. Uniemożliwiało to zorganizowanie szybkiej pomocy, a przede wszystkim włączenie do akcji poszukiwawczo-ratowniczej statków znajdujących się w obszarze najbliższym miejsca wypadku lub katastrofy. Tak więc państwa zainteresowane żeglugą i eksploatacją morza podjęły intensywne badania nad udoskonaleniem ogniw systemu bezpieczeństwa morskiego oraz prace nad nowymi rozwiązaniami wykorzystującymi najnowsze zdobycze techniki, które zintegrowane w jeden ogólnoświatowy system mogłyby wydatnie to bezpieczeństwo poprawić. Wprowadzenie najnowszych osiągnięć technicznych, wykorzystujących przede wszystkim techniki satelitarne, cyfrowe systemy radiotelegrafii automatycznej, w tym cyfrowe selektywne wywołanie, umożliwiło stworzenie systemu, w którym można w sposób automatyczny przeprowadzić proces nadawania i odbioru sygnałów niebezpieczeństwa, niezależnie od warunków meteorologicznych oraz występujących zakłóceń. Jak należało oczekiwać, za sprawą Międzynarodowej Organizacji Morskiej (Maritime Organization IMO) oraz Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego ITU (International Telekommunication Union) opracowano zbiór rozwiązań systemowo-organizacyjnych oraz prawnych w celu podniesienia bezpieczeństwa żeglugi, ze szczególnym uwzględnieniem alarmowania o niebezpieczeństwie oraz zapewnienia dużej operatywności akcjom poszukiwania i ratowania. Ten nowo utworzony system nazwano Światowym Morskim Systemem Łączności Alarmowej i Bezpieczeństwa GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System). System ten autor opisał w nr 5 Przeglądu Telekomunikacyjnego i Wiadomości Telekomunikacyjnych 2005 r. przedstawiając jego strukturę, realizowane funkcje, a w szczególności opisując podsystemy do realizacji transmisji morskich informacji bezpieczeństwa tzw. MSI (Maritime Safety Information). W niniejszym artykule autor pragnie przybliżyć podsystem, który pełni szczególną rolę, a mianowicie umożliwia automatyzację radiokomunikacji naziemnej (terrestrial communications) Jest nim cyfrowy system selektywnego wywołania DSC (Digital Selective Calling). CYFROWY SYSTEM SELEKTYWNEGO WYWOŁANIA Ogólna charakterystyka Wprowadzenie międzynarodowego systemu selektywnego wywoływania w radiokomunikacji morskiej umożliwia: 429

2 M wyeliminowanie konieczności prowadzenia stałego nasłuchu przez człowieka, M skrócenie czasu wywoływania, a więc zmniejszenie czasu transmisji, M zwiększenie prawdopodobieństwa odebrania wywołania przez statek, M pełną automatyzację nawiązywania łączności i wymiany korespondencji, M współpracę z urządzeniami transmisji danych umożliwiającą centralną obróbkę danych, M automatyczne rejestrowanie wywołań. Selektywne wywołanie stanowi więc bardzo istotne ogniwo w procesie automatyzacji ruchomej służby morskiej i włączenia jej do międzynarodowej publicznej sieci telefonicznej i teleksowej. W zależności od kryteriów technicznych, systemy selektywnego wywołania dzielą się na: M częstotliwościowe, M czasowo-częstotliwościowe (sekwencyjnie), M cyfrowe. Systemy częstotliwościowe działają na podstawie metody jednoczesnego wysyłania kilku różnych częstotliwości akustycznych w standardowym okresie, w tzw. bicie sygnałowym. Amplitudy tych sygnałów i czasy ich trwania są jednakowe. Ze względu na zmniejszającą się głębokość modulacji przy wzroście liczby częstotliwości modulujących, a także niezbyt dużą liczbę możliwych, niepowtarzających się kombinacji cyfrowych, które można w charakterze numerów selektywnego wywołania przyporządkować jednostkom pływającym, przedstawiony system nie znalazł szerszego zastosowania w radiokomunikacji morskiej. Systemy sekwencyjne polegają na kolejnym wysyłaniu pięciu bitów sygnałowych o jednakowym czasie trwania, lecz o różnej częstotliwości. Podstawę ich stanowi kod dziesiętny czasowo-częstotliwościowy, w którym każdej cyfrze przyporządkowano inną częstotliwość akustyczną. W celu uzyskania maksymalnej pojemności numerycznej dodatkowo jest wykorzystywana jedna częstotliwość, umożliwiająca rozróżnienie dwóch kolejnych, powtarzających się cyfr w danym numerze. Regulamin Radiokomunikacyjny uznał tego rodzaju system selektywnego wywołania w międzynarodowej morskiej służbie ruchomej pod nazwą SSFC (Sequential Single-Frequency Code System). Sygnał wywoławczy w tym systemie polega na wysyłaniu pięciu kolejno następujących po sobie modulowanych impulsów wielkiej częstotliwości, których amplituda i czas trwania są równe, a poszczególne impulsy różnią się jedynie akustycznymi częstotliwościami modulacji. Opisane rozwiązanie nie spełnia jednak oczekiwań systemu GMDSS i dlatego nie zostało włączone w jego skład. Systemy cyfrowe polegają na przyporządkowaniu każdej cyfrze (literze) określonej liczby impulsów przesyłanych w systemie binarnym za pomocą kluczowania częstotliwości lub fazy. W rozwiązaniach praktycznych są stosowane kody, w których każdemu przesyłanemu znakowi odpowiada jednakowa liczba impulsów i określony czas ich trwania. Chroni to kod przed zakłóceniami i daje możliwość stosowania układów eliminujących lub korygujących błędy. Założenia techniczne systemu Cyfrowe selektywne wywołanie DSC stanowi integralną część składową GMDSS i jest przeznaczone do nadawania sygnałów alarmowych w niebezpieczeństwie oraz automatycznego nawiązywania, a następnie ustanawiania połączeń radiowych w następujących łączach: M stacja statkowa stacja nadbrzeżna, M stacja nadbrzeżna stacja statkowa, M stacja statkowa stacja statkowa. System zaprojektowano do stosowania w paśmie pośredniofalowym, to jest w paśmie 2 MHz, w paśmie krótkofalowym w podpasmach: 4 MHz, 6 MHz, 8 MHz, 12 MHz, 16 MHz oraz w morskim zakresie ultrakrótkofalowym MHz. DSC jest wielodostępowym systemem przesyłania informacji cyfrowych o częściowo kontrolowanym dostępie do kanału. Reguła dostępu do kanału polega na śledzeniu fali nośnej i wymuszaniu przesyłania bloku informacji (pakietu), gdy kanał jest niezajęty. Pakiety informacji cyfrowych są nadawane z jednym spośród czterech priorytetów: alarmowanie (distress), pilność (urgent), bezpieczeństwo (safety), wywołanie rutynowe (routine). Informacje mogą być kierowane do wszystkich stacji, do pojedynczej stacji lub grupy stacji, przy zachowaniu kodu identyfikacyjnego MMSI (Maritime Mobile Service Identity). Zgodnie z Rec. ITU-RM.493-9, system DSC, aby móc spełniać założone zadania w morskiej radiokomunikacji, powinien charakteryzować się prawdopodobieństwem błędu decyzyjnego rzędu 10 6, przy prawdopodobieństwie błędu binarnego 10 2 [66]. W celu spełnienia tych wymagań zastosowano system synchroniczny z 10-elementowym kodem detekcyjnym wykorzystując Międzynarodowy Alfabet Telegraficzny nr 5 (ITA-5) składający się z 2 7 = 128 ciągów. Na rys. 1 przedstawiono postać ogólną 10-bitowego ciągu kodowego, który stanowi podstawową sekwencję wywoławczą. O Rys. 1. Ciąg kodowy stosowany w DSC; długość ciągu N = 10 Jak widać na rys. 1., dla pola informacyjnego przeznaczono 7 bitów. Można w nim wpisywać rozwinięcia binarne ciągów informacyjnych, przy czym waga przyporządkowana pierwszemu bitowi wynosi 1, zaś siódmemu 64. W celu ochrony przesyłania informacji przed błędami w kanale, są one uzupełniane 3-pozycyjnym ciągiem kontrolnym, który wyraża liczbę zer występujących w polu informacyjnym. Tak więc połączenie ciągu informacji i ciągu kontrolnego tworzy ciąg kodu Bergera, który okazał się idealnym kodem dla kanałów binarnych całkowicie asymetrycznych. Pewną klasę χ binarnych kodów blokowych systematycznych można przedstawić charakteryzując następujące parametry: M długość części kontrolnej ciągu N K = K, M długość części informacyjnej N X = 2 K 1, M długość ciągu kodowego N = N X + N K = 2 K + K 1. Przyjęty przez Rec. ITU-RM kod Bergera jest kodem χ z parametrem charakterystycznym K = 3. Ciągi kodowe według ustalonych reguł tworzą następnie pakiet, który jest przesyłany między stacjami systemu. Ogólną postać tego pakietu przedstawiono na rys. 2. Stacja wysyłająca pakiet i stacja odbierająca tworzą prosty model systemu telekomunikacyjnego. W stacji nadawczej następuje dwuetapowe przekształcenie sygnałów niosących informacje elementarne. Najpierw ciągi symboli są zmieniane na ciągi kodowe, które w postaci ciągów sygnałów elementarnych sterują układami modulacji sygnału nośnego. W systemie zgodnie z Rec. ITU-RM przyjęto następujące uwarunkowania techniczne transmisji. Każdy sygnał jest transmitowany w systemie czasowego odbioru zbiorczego (time diversity) z przesunięciem czasowym pomiędzy pierwszą transmisją (DX) i retransmisją (RX), wynoszącym: 430

3 O Rys. 2. Ogólny schemat sekwencji wywoławczej M 400 ms w paśmie MF i HF, M 33 1/3 ms w radiotelefonicznych kanałach pasma VHF. Jeżeli chodzi o klasy emisji, przesunięcie częstotliwości i szybkości transmisji, to wynoszą one: M F1B lub J2B, 170 Hz, 100 Bd dla kanałów w paśmie MF i HF, M w kanałach pasma VHF przyjęto natomiast modulację częstotliwości z preemfazą 6 db/oktawę, przesuw częstotliwości pomiędzy częstotliwościami akustycznymi 1300 Hz i 2100 Hz, częstotliwość podnośna 1700 Hz. Przyjęto szybkość modulacji 1200 Bd. Jak przedstawiono na rys. 3. w odbiorniku jest dokonywany proces odwrotny do tego, jaki występuje w nadajniku, czyli w odbiorniku najpierw są podejmowane niezbędne decyzje o każdym z sygnałów elementarnych, następnie decyzje dotyczące postaci poszczególnych symboli oraz całego pakietu. Z rysunku wynika, że w takim przypadku kanał binarny tworzą urządzenia służące przekształceniu ciągów kodowych w sygnały radiowe i odwrotnie, tzn. przekształceniu sygnałów radiowych w ciągi kodowe. Przedstawmy syntetycznie zasadnicze cechy i przeznaczenie poszczególnych pól składowych ogólnego pakietu wywoławczego DSC z rys. 2. W tym celu skorzystajmy z rys. 4., na którym kolejne pola następujące po sekwencji fazującej oznaczono literami alfabetu. Wewnątrz każdego pola podano liczbę symboli, które umożliwiają umieszczenie w nim niezbędnej informacji. Ponadto do każdego pola dołączono wyjaśnienie dotyczące rodzaju informacji oraz sposobu jej kodowania. Jak widać na rys 2 każda sekwencja fazująca jest poprzedzona ciągiem sygnałów zerojedynkowych (200 bitów dla sygnałów alarmowych oraz 20 bitów dla każdego innego typu wywołania) służących odbiornikowi z przeszukiwaniem częstotliwości (scanning receiver) do zatrzymania dalszego przeszukiwania. Ponieważ w systemie DSC pakiety są przesyłane bez synchronizacji momentów wprowadzenia zakodowanych wiadomości do kanału radiowego, operację dekodowania pakietu musi poprzedzać synchronizacja realizowana dwuetapowo: najpierw w ciągu odebranych informacji elementarnych są umiejscowione ciągi kodowe (synchronizacja bajtowa), a na- O Rys. 3. Sposób transmisji sygnałów w systemie DSC O Rys. 4. Postać sekwencji wywoławczej 431

4 stępnie dokonuje się identyfikacji położenia części funkcjonalnych pakietu (synchronizacja blokowa). W przyjętym systemie przez Rec. ITU-RM , realizację synchronizacji przeprowadza się tak, jak pokazano na rys 5. O Rys. 5. Postać pola sekwencji fazującej DSC Adres Część adresowa sekwencji wywoławczej zawiera informację określającą adresata danej sekwencji. Adresem numerycznym, czyli MMSI, jest 10-cyfrowy identyfikator, składający się z 9-cyfrowej liczby dziesiętnej uzupełnionej zerem na dziesiątej pozycji. Każde dwie kolejne cyfry dziesiętne są kodowane w postaci symbolu o wartości i zajmują jeden 10-bitowy ciąg kodowy. Łącznie adres numeryczny zajmuje 5 symboli (ciągów kodowych). Metody tworzenia adresów numerycznych autor przedstawił w [4]. O Tabela 1. Rodzaj niebezpieczeństwa Numer symbolu Rodzaj niebezpieczeństwa Ogień, eksplozja Przeciek kadłuba Kolizja Wejście na mieliznę Przechył, niebezpieczeństwo przewrotki Tonięcie Utrata mocy i sterowności Inne niebezpieczeństwo Opuszczanie statku Emisja radiopławy pozycyjnej (EPIRB) Wiadomość 2 W wiadomości tej jest podawana pozycja statku w niebezpieczeństwie. Pozycja jest zapisywana za pomocą 10 cyfr (5 symboli). Znaczenie kolejnych cyfr jest następujące: M cyfra pierwsza wskazuje sektor kuli ziemskiej, w którym zdarzył się wypadek, przy czym sektor NE jest określony cyfrą 0, NW l, SE 2, SW 3, M kolejne cztery cyfry określają szerokość geograficzną w stopniach i minutach, M następnych pięć cyfr to długość geograficzna wyrażona w stopniach i minutach. Wiadomość 3 Zawiera ona informację o czasie określenia pozycji statku w niebezpieczeństwie podanym w czasie uniwersalnym UTC. Pierwsze dwie cyfry oznaczają godzinę, trzecia i czwarta minuty. Jeżeli czas nie może być włączony do wiadomości, cztery określające go cyfry powinny zostać wyemitowane w postaci czterech ósemek (8888). O Rys. 6. Sposób określania obszaru geograficznego w sekwencji wywoławczej Adres geograficzny umożliwia adresowanie wywołań do statków w określonym obszarze geograficznym. Adres takiego wywołania składa się z 10 cyfr (5 symboli) i zawiera współrzędne geograficzne żądanego obszaru (rys. 6) podane w następującej kolejności: szerokość, długość geograficzna. Obszar jest podawany jako prostokąt w siatce Merkatora, przy czym punktem odniesienia jest jego północno-zachodni wierzchołek. Szczegółowe opisy tworzenia adresów geograficznych autor przedstawił w [4]. Wiadomość 4 Wiadomość ta składa się z jednego znaku. Znak ten określa rodzaj późniejszej komunikacji (telefonia lub wydruk bezpośredni), która najbardziej odpowiada stacji będącej w niebezpieczeństwie. Na rys. 7 pokazano sposób transmisji sekwencji cyfrowego selektywnego wywołania, odpowiadający postaci jak na rys 4. Jak wynika z rys. 7 zastosowano czasowy system odbioru zbiorczego (time diversity), w którym każda elementarna 10-bitowa sekwencja jest nadawana po raz pierwszy (na tzw. pozycji DX), następnie są nadawane inne cztery sekwencje, po czym jest powtarzana pierwsza sekwencja na tzw. pozycji RX. Ponieważ w polu A (rys. 4.) są nadawane dwa identyczne symbole, ich transmisje przedstawiono jako symbole A bez cyfry. W polu B jest nadawanych pięć symboli, zatem ich transmisje są zaznaczone od B1 do B5. Podobny sposób oznaczenia zastosowano w kolejnych polach. Na rys. 7 zaznaczono również czasy Blok wiadomości Jak wiadomo, głównym zadaniem selektywnego cyfrowego wywołania jest przesłanie wiadomości. Wiadomość sekwencji wywoławczej składa się z kilku elementów, a jej postać zależy od rodzaju wywołania. Dla wywołań w niebezpieczeństwie cała wiadomość o nim jest zawarta w czterech wiadomościach składowych. Wiadomość l Opisuje ona rodzaj niebezpieczeństwa, jakie zagraża statkowi i jest kodowana w sposób podany w tabeli 1. O Rys. 7. Sposób transmisji sekwencji wywoławczej 432

5 2 MHz oraz ultrakrótkofalowego VHF. Jest stosowany zgodnie z założeniami GMDSS do realizacji wywołań alarmowych przez statki znajdujące się w niebezpieczeństwie, będące zarówno w strefie bliskiej od lądu, jak również uprawiające żeglugę dalekomorską. LITERATURA [1] Digital selective-calling system for future operational requirements of the maritime mobile service. Report ITU, Geneva 1990 [2] Digital selective-calling problems and ideas to be considered. ITU- 8B/remp/28-E, Geneva 2000 [3] Digital selective-calling system for use in the Maritime Mobile Service. ITU, Document 8B Temp/136-E, Geneva 2003 [4] Praca zbiorowa pod redakcją J. Czajkowskiego. System GMDSS regulaminy, procedury i obsługa. PWP,,Skryba Sp. z o.o., Gdańsk 2002 O Rys. 8. Algorytm tworzenia wiadomości. Oznaczenia: 1 wiadomości, które są odpowiedzią, procesor wprowadza samoidentyfikację i kopiuje wybrane dane z odebranej wiadomości 2 samoidentyfikacja jest wprowadzana automatycznie 3 może być wprowadzana automatycznie trwania sygnałów danego pola, a sumaryczny czas transmisji całej sekwencji wywołania wynosi 6,2 s. Czas trwania pojedynczego wywołania DSC przesyłanego w pasmach pośredniofalowych (MF) i krótkofalowych (HF) zawiera się w przedziale 6,2 7,2 s, natomiast przesyłanego w pasmach ultrakrótkofalowych w przedziale 0,45 0,63 s i zależy od typu transmitowanego wywołania. Przedstawiona struktura ogólna postaci sekwencji wywoławczej cyfrowego selektywnego wywołania umożliwia określenie algorytmu przygotowania przez operatora różnych typów wiadomości możliwych do wysyłania za pomocą systemu DSC (rys. 8, 8). Przedstawiony system jest jedynym sposobem automatycznego ustanawiania połączeń radiokomunikacyjnych pomiędzy statkami i stacjami nadbrzeżnymi w naziemnej radiokomunikacji morskiej, wykorzystującej podpasma zakresu krótkofalowego 4 MHz, 6 Mz, 8 MHz, 12 MHz i 16 MHz, średniofalowego O Rys. 9. Algorytm tworzenia wiadomości 433