analitical and simulation methods for determine

Transkrypt

77
FORUM
NAWIGACJI
Numer 5
Zima 2010
ISSN 2083-2257
GDYNIA
Komitet Programowy
Andrzej Banachowicz
Jacek Januszewski
Krzysztof Czaplewski
Zdzisław Kopacz
Daniel Duda
Artur Makar
Andrzej Felski
Wacław Morgaś
Wiesław Galor
Cezary Specht
Marek Grzegorzewski
Andrzej Stateczny
Lucjan Gucma
Adam Weintrit
Redakcja
Dariusz Szulc
[email protected]
Katarzyna Śliwińska
Adres redakcji:
Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej
Akademia Marynarki Wojennej
ul. Śmidowicza 69
81-103 Gdynia
„Forum nawigacji”
[email protected]
tel. 58 626-29-50
[email protected]
tel. 58 626-27-74
Czasopismo wydawane przez Polskie Forum Nawigacyjne
www.pnf.gdynia.pl
WWW.FORUMNAWIGACJI.PL
2
SPIS TREŚCI
WOJCIECH KURYŁO
5
SYSTEMY TELEDETEKCJI POJAZDU PODWODNEGO BUDOWANEGO NA BAZIE
TORPEDY SET 53 CZ. 2 MONTAŻ WYBRANYCH SYSTEMÓW
JAROSŁAW MIKULSKI
13
MODELOWANIE 3D DANYCH BATYMETRYCZNYCH Z UŻYCIEM APLIKACJI GLOBAL
MAPPER
ANDRZEJ FELSKI
31
CHARAKTER BŁĘDÓW INERCJALNEGO SYSTEMU NAWIGACYJNEGO TYPU
KARDANOWEGO
ANDRZEJ FELSKI, KRZYSZTOF JASKÓLSKI
43
THE INTEGRITY OF THE NAVIGATION INFORMATION RECEIVED BY MEANS OF AIS
ALEKSANDER NOWAK, DARIUSZ SZULC
53
MONITOROWANIE MAŁYCH, SZYBKO PORUSZAJĄCYCH SIĘ OBIEKTÓW STATYCZNE I
DYNAMICZNE POMIARY ZASIĘGU PRACY RADIOMODEMÓW
DARIUSZ SZULC
63
ANALIZA OBRAZÓW SONAROWYCH DLA ZAPEWNIENIA BEZPIECZNEGO POSTOJU
STATKU W PORCIE
KAROLINA CHORZEWSKA
71
IMPROWIZOWANE ŁADUNKI WYBUCHOWE JAKO ZAGROŻENIE DLA JEDNOSTEK W
PORTACH MORSKICH.
3
FORUM NAWIGACJI ZIMA 2010
4
Wojciech Kuryło
Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego
na bazie torpedy SET 53
Cz. 2 Montaż wybranych systemów
Poniższy artykuł przedstawia koncepcje zmian konstrukcyjnych głowicy
torpedy SET-53 wraz z rozmieszczeniem wybranych systemów teledetekcji.
WPROWADZENIE
Bezzałogowe pojazdy podwodne (UUV – Unmanned Undersea Vehicles)
są powszechnie wykorzystywane na świecie do szeregu zadań podwodnych,
w tym również do prowadzenia rekonesansu akwenu morskiego. Pojazdy takie
w zależności od konstrukcji dzielą się na autonomiczne pojazdy podwodne (AUV –
Autonomus Underwater Vehicle) oraz zdalnie sterowane pojazdy podwodne (ROV
– Remote Operated Vehicle). W ramach artykułu opisane zostaną wybrane systemy
detekcji oraz projekt nowej głowicy torpedy SET 53 wraz z rozmieszczeniem
wybranych systemów detekcji w sposób graficzny, za pomocą programu Autodesk Inventor Professional 2010.
Możliwość skonstruowania tego typu pojazdu podwodnego dostrzeżona
została w innych państwach. Pojazdy podwodne na bazie torped są konstruowane
i eksploatowane m.in. w amerykańskiej, niemieckiej i szwedzkiej marynarce
wojennej. Adaptacje torped na bezzałogowe pojazdy podwodne znalazły swe
zastosowanie głównie ze względów ekonomicznych.
ROZMIESZCZENIA SYSTEMÓW OBSERWACJI PODWODNEJ W NOWO BUDOWANYM POJEŹDZIE
PODWODNYM
Poniżej przedstawione zostały zmiany konstrukcyjne głowicy torpedy
SET-53 wraz z rozmieszczeniem systemów teledetekcji.
5
Wojciech Kuryło
Podczas wyboru miejsca zamontowania brano pod uwagę przeznaczenie,
sektor obserwacji oraz częstotliwość pracy urządzeń, mając na celu zapewnienie
niezakłóconej pracy sąsiednich systemów.
KAMERA WIZYJNA
Rys. 1. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z kamerą oe14-112/113
Ze względu na 360 stopniowy sektor obserwacji kamery zdecydowano się
na jej zamontowanie poniżej szczytu głowicy pod kątem 20° w stosunku do płaszczyzny diametralnej torpedy. Zamontowanie takie umożliwia pełne wykorzystanie sektora obserwacji kamery podczas wykonywania prac podwodnych. Dodatkowo umieszczenie jej w płaszczyźnie symetrii zapewni równomierne rozmieszczenie ciężaru w głowicy, co wpływa pozytywnie na sterowność pojazdu.
ECHOSONDA
Rys. 2. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z echosondą TriTech Seaking Parametric
Sub Bottom Profiler
Celem zastosowania echosondy w autonomicznym pojeździe podwodnym
jest określenie tendencji zmian głębokości podczas przejścia zadaną trasą. Reali-
6
Systemy teledetekcji pojazdu podwodnego budowanego na bazie torpedy SET 53
zacja wyżej wymienionego celu może odbywać się jedynie poprzez zamontowanie
echosondy w dolnej części głowicy torpedy SET – 53. Dodatkowo umieszczenie jej
w płaszczyźnie symetrii zapewni równomierne rozmieszczenie ciężaru w głowicy,
co wpływa pozytywnie na sterowność pojazdu.
SONAR BOCZNY
Rys. 3. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z przetwornikiem holowanego sonaru
bocznego 4200 Multi-Purpose Survey
Zdecydowano się na zamontowanie przetworników sonaru bocznego po
dwóch stronach w dolnej części głowicy torpedy. W celu zapewnienia odpowiedniej sterowności i stateczności pojazdu, przetworniki zamontowane zostały symetrycznie do płaszczyzny przekroju poprzecznego głowicy. Rozwiązanie takie zapewnia prawidłową pracę sonaru oraz stosunkowe duże pokrycie dna morskiego.
Oddalenie przetworników od siebie ku górze skutkowałoby zbyt szerokim polem
martwym, co mogłoby wpłynąć negatywnie na zdolności wykrywania i identyfikacji obiektów morskich.
SONAR CZOŁOWY
Rys. 4. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z sonarem czołowym Tritech Super
SeaKing DST
Przeznaczenie sonaru czołowego – wykrywanie przeszkód nawigacyjnych
znajdujących się na trasie przejścia pojazdu, determinuje zamontowanie go na
7
Wojciech Kuryło
szczycie głowicy. Konstrukcja taka zapewni niezakłóconą przez inne urządzenia
pracujące na podobnej częstotliwości pracę sonaru oraz gwarantuje pełny sektor
obserwacji, nieograniczony elementami konstrukcyjnymi pojazdu. Ze względu na
występujący wewnątrz torpedy stelaż montażowy, zdecydowano się na powyższe
rozwiązanie, przy zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości głowicy torpedy,
a także wykorzystanie pełnych możliwości badawczych sonaru czołowego.
SONDA STD/CTD
Rys. 5. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z sondą STD/CTD SD 204 SAIV
Sonda CTD/STD jest to urządzenie które powinno być opuszczone do badanego akwenu w celu określanie zasolenia, temperatury i głębokości ponieważ
niezbędna jej jest styczność ze środowiskiem morskim. Ze względu na otwory na
zewnętrznej powierzchni głowicy, zapewniony został odpowiedni przepływ wody, który umożliwia prawidłową prace sondy CTD. Sonda zainstalowana zostanie
w górnej części torpedy, pod otworami.
8
ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILER
Rys. 6. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 wraz z Mini-ADP® Acoustic Doppler Profiler
Przeznaczeniem urządzenia jest określenie prędkości prądów w badanym
akwenie. Zdecydowano się na zamontowanie urządzenia w dolnej części głowicy
torpedy, gdzie częstotliwość pracy nie spowoduje zakłóceń pracy przetworników
sonaru bocznego oraz echosondy. Dodatkowo zamontowanie urządzenia w płaszczyźnie symetrii przekroju poprzecznego eliminuje problemy związane
ze statecznością i sterownością pojazdu podwodnego.
PODSUMOWANIE
Odpowiedni dobór urządzeń, którego jednym z głównych kryteriów był
rozmiar, umożliwił ich zamontowanie bez problemów związanych z brakiem
miejsca, co mogłoby skutkować ich niewłaściwym rozmieszczeniem, a dalej niewykorzystaniem ich technicznych możliwości podczas wykonywania zadań stawianych przed autonomicznymi pojazdami podwodnymi. Poniżej zestawiono
wszystkie systemy przeznaczone do zamontowania w ramach zmian konstrukcyjnych głowicy torpedy SET-53.
9
Wojciech Kuryło
Rys. 7. Wizualizacja głowicy torpedy SET 53 po zmianach konstrukcyjnych
Podczas rozmieszczania podsystemów detekcji brano pod uwagę głównie
ich przeznaczenie. Zapewni to skuteczną realizację założonych teoretycznie celów
stawianych przed pojazdem podwodnym. Innym kryterium takiego rozmieszczenia była masa urządzeń, oraz częstotliwość pracy. Nieodpowiedni wybór miejsca
mógłby w takim przypadku nie tylko spowodować problemy związane ze statecznością i sterownością ale także zakłócać pracę urządzeń pracujących na tej samej
częstotliwości. Taki sposób zamontowania urządzeń jest koncepcją własną. Ilość
miejsca w głowicy w stosunku do rozmiaru urządzeń umożliwia jej zmianę.
10
LITERATURA
[1] [ONLINE] [ZACYTOWANO: LISTOPAD 2010.]
HTTP://WWW.KM.KONGSBERG.COM/KS/WEB/NOKBG0240.NSF/ALLWEB/29BA173
311C86AF9C12575080032A730?OPENDOCUMENT.
HTTP://WWW.TRITECH.CO.UK/PRODUCTS/PRODUCTS-PARAMETRIC_SBP.HTM.
HTTP://WWW.TRITECH.CO.UK/PRODUCTS/PRODUCTS-SUPER_SEAKING.HTM.
HTTP://WWW.EDGETECH.COM/EDGETECH/GALLERY/ITEM/4200-SERIES-SIDE-SCANSONAR-SYSTEM.
[5] [ONLINE] [ZACYTOWANO: LISTOPAD 2010.] HTTP://WWW.SONTEK.COM/ADPADCP.PHP.
[6] GRZĄDZIEL, ARTUR. PRACA STUDYJNA. MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA
[7]
HYDROGRAFICZNEGO SONARU BOCZNEGO DO REALIZACJI ZADAŃ OBRONY
PRZECIWMINOWEJ. GDYNIA : AMW, 0000.
OPERATING MANUAL FOR STD/CTD MODEL SD204 WITH SOUND VELOCITY &
OPTIONAL.
Detection system designed for underwater vehicle based
on torpedoes SET – 53
Part 2
A concept of structural changes in head of torpedoes SET – 53 is presented in
the paper both with the location of the selected devices.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Felski
11
12
Jarosław Mikulski
Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem
aplikacji Global Mapper
W artykule przedstawiono ocenę wiarygodności modelu przestrzennego dna
morskiego uzyskanego za pomocą aplikacji Global Mapper funkcji ilości danych
batymetrycznych.
WPROWADZENIE
Badanie rzeźby dna morskiego to jeden z rodzajów współcześnie wykonywanych prac hydrograficznych. Chęć poznania ukształtowania powierzchni
i głębokości dna wynika głównie z potrzeb prowadzenia bezpiecznej nawigacji.
Obecnie podczas prowadzenia statku na morzu najczęściej wykorzystywane są
morskie, cyfrowe mapy nawigacyjne, które dają nawigatorowi o wiele więcej
możliwości od map analogowych. Jednak sposób przedstawienia informacji dotyczących głębokości akwenu na mapach cyfrowych ciągle podobny jest do tego
stosowanego w tradycyjnych mapach papierowych – w postaci zbioru izobat.
W celu lepszej interpretacji informacji batymetrycznych tworzy się trójwymiarowe modele dna. Taki sposób wizualizacji dna morskiego może stać się przyszłością systemu ECDIS. Jednak, jednym z warunków, które muszą zostać spełnione
jest szczegółowe badanie rzeźby dna. Takie badania niezbędne są również podczas projektowania podwodnych konstrukcji hydrotechnicznych, czy przy prowadzeniu kabli podwodnych.
Pomiary batymetryczne najczęściej polegają na tym, że statek płynąc po
wcześniej ustalonym profilu (linii) rejestruje wartości głębokości, zazwyczaj przy
użyciu echosondy wielowiązkowej zintegrowanej z GPS. Profile wykonywane są
przeważnie obok siebie. Ich wzajemna odległość oraz odległość pomiędzy punktami pomiarów głębokości na profilu w głównej mierze wpływa na szczegółowość
pozyskanych danych batymetrycznych [2].
Taki sposób badania głębokości nie jest pozbawiony wad. Może bowiem
dochodzić do pozostawiania całkowicie niezbadanej przestrzeni pomiędzy profilami. Chcąc natomiast osiągnąć większą szczegółowość wykonywanego sondażu,
należy liczyć się ze wzrostem kosztów i czasu [2]. Zatem powstaje pytanie: jaka
powinna być odległość pomiędzy punktami pomiarów głębokości na profilu, aby
na podstawie zebranej ilości danych stworzyć wiarygodny model dna?
13
Jarosław Mikulski
W artykule przedstawiono proces algorytmu testowania aplikacji Global
Mapper, przeprowadzono modelowanie dna morskiego oraz dokonano analizy
otrzymanych wyników.
OPIS MODELOWANEGO DNA MORSKIEGO
Testowanym obszarem jest prostokątny fragment dna morskiego, którego
sondażu dokonano za pomocą echosondy wielowiązkowej. Powierzchnia obszaru
wynosi 813700 m2, a jego boki mierzą długość odpowiednio 790 m
i 1030 m. Akwen opisano siatką współrzędnych x, y, z o gęstości danych
10 m × 10 m, gdzie x i y są bokami akwenu, a z odpowiada jego głębokości.
Tak prezentuje się obraz testowanego dna, który został wykonany
w programie Surfer w oparciu o prawdziwe dane otrzymane z echosondy:
Rys. 1. Model 3D testowanego dna morskiego
Jak widać na rysunku dno rozciąga się wzdłuż osi Y - z głębi morza
w stronę brzegu. Ciemnoniebieski kolor oznacza płyciznę o średniej głębokości
0,5 m. Tuż za przybrzeżną płycizną obserwuje się stromy spad dna. Dalej,
w głąb morza pojawiają się na przemian wzniosłości i nachylenia dna. Rzeźba dna
jest dość znacznie zróżnicowana pod względem danych batymetrycznych. Minimalna głębokość to 0,2 m, a maksymalna wynosi 25,7 m. Natomiast średnia
14
Modelowanie 3D danych batymetrycznych z użyciem aplikacji Global Mapper
głębokość akwenu wynosi w przybliżeniu 12,4 m. Duże i nierównomierne ukształtowanie dna jest kluczem do prawidłowego zbadania wiarygodności aplikacji.
Badając takie dno akwenu, sprawdza się, czy uzyskany model przestrzenny dna
jest wiarygodny, niezależnie od zróżnicowania jego rzeźby. Global Mapper wykonując obliczenia dla samych łagodnych profili dna miałby ułatwione zadanie podczas procesu interpolacji. Ponadto, „pofałdowane” dno umożliwia wskazanie
miejsc, w których program popełnia największe błędy.
PROCES ALGORYTMU TESTOWANIA APLIKACJI GLOBAL MAPPER
Program Global Mapper wykorzystano do modelowania dna morskiego.
Aplikacja ma za zadanie wygenerować obraz dna w zależności od ilości danych
batymetrycznych. Algorytm testowania ma na celu przedstawienie w jaki sposób
zbadano wiarygodność programu co do obliczania brakujących danych batymetrycznych.
Proces algorytmu testowania aplikacji przedstawiono za pomocą schematu blokowego (rys. 2):
Opis procesu testowania programu w oparciu o schemat blokowy:
1
Dane z echosondy w postaci współrzędnych x, y, z eksportowane
są do programu Statistica.
2
W programie Statistica następuje przygotowanie danych, które
przedstawione są jako macierz, składająca się z
kolumn (zmienne – x)
iz
wierszy (przypadki - y).
Przygotowanie danych składa się z III etapów:
 Selekcja skrajnych współrzędnych,
 Losowanie pewnej ilości „danych wewnętrznych”,
 Scalenie skrajnych współrzędnych z wylosowanymi danymi.
15
Jarosław Mikulski
START
DANE
Z ECHOSONDY
STATISTICA
(PRZYGOTOWANIE DANYCH –
LOSOWANIE
DANYCH;
– NR ITERACJI)
GLOBAL MAPPER
(OBLICZENIE DANYCH)
STATISTICA
(ANALIZA FUNKCJI PODOBIEŃSTWA)
N
T
ZOBRAZOWANIE
WYNIKÓW
Rys. 2. Schemat blokowy algorytmu testowania aplikacji Global Mapper
Etap I
Spośród zmiennych i przypadków należy wyodrębnić te, które opisują
kontury kształtu testowanego obszaru, czyli jego punkty skrajne (Rys. 3.).
16
Rys. 3. Wykres skrajnych współrzędnych testowanego obszaru
Współrzędne punktów skrajnych można zapisać jako zbiór Z:
Współrzędne punktów skrajnych (x, y) wraz z przypisanymi im głębokościami (z) wycięto z pierwotnego pliku i zapisano w osobnym arkuszu programu
Statistica.
Etap II
Dla pozostałych danych przyjęto nazwę „dane wewnętrzne”, tzn. są to
wszystkie punkty (x, y, z) wypełniające akwen, których granicę stanowią punkty
skrajne. W etapie II tworzony jest nowy podzbiór składający się
z
losowo wybranych „danych wewnętrznych”, gdzie
oznacza
numer kolejnej iteracji. W pracy założono pięciokrotne przetestowanie aplikacji.
Za pierwszym razem losowane jest
, następnie
,
,
i ostatni test
wykonano dla
danych.
17
Jarosław Mikulski
Etap III
W etapie III należy wylosowaną ilość danych scalić z danymi skrajnymi.
Wylosowane dane kopiowane są do skoroszytu z współrzędnymi punktów skrajnych. W ten sposób otrzymano obszar w którym brakuje
„danych wewnętrznych”. Zadaniem programu Global Mapper jest obliczenie
wartości brakujących danych batymetrycznych. Jeżeli nie połączono by punktów
wewnętrznych z punktami skrajnymi, bądź losowanie odbyło się spośród wszystkich danych z echosondy doszło by do zniekształcenia granicy testowanego
obszaru. Ostatnią czynnością, którą należy wykonać w etapie III jest zapisanie
przygotowanych danych jako plik tekstowy (*.txt).
3
Przygotowany plik tekstowy otwierany jest za pomocą aplikacji
Global Mapper, która generuje obraz dna i przeprowadza obliczenia dla odrzuconych w drodze losowania zmiennych. W celu sprawdzenia obliczonych wartości
należy eksportować wygenerowany model do pliku XYZ Grid (*.xyz).
4
Następnym elementem algorytmu jest sprawdzenie dokładności
wyliczonych danych batymetrycznych. W tym celu należy w programie Statistica
otworzyć wyeksportowany z testowanej aplikacji plik XYZ Grid. W ten sposób
otrzymano macierz, odpowiadającą kształtem oraz ilością elementów macierzy
wzorcowej dna. Zarówno podczas importu jak i eksportu danych z programu Global Mapper nałożono warunki, określające rozdzielczość współrzędnych x i y.
Dzięki temu została zachowana proporcja rozmieszczenia wygenerowanych
danych z danymi wzorcowymi. Inaczej mówiąc wyznaczone pary współrzędnych
,
pokrywają się na płaszczyźnie z pierwotnymi parami współrzędnych
, . Wobec tego do porównania pozostają tylko przypisane im zmienne głębokościowe oraz .
Porównania dokonano za pomocą funkcji podobieństwa stosując wybrane
miary odległości [1]:
 odległość Euklidesa:
gdzie:
,
- wartość
tej zmiennej dla porównywanych macierzy;
liczba zmiennych;
18
 odległość Camberra:
 algorytm różnicowy:
5
W bloku warunkowym postawiono pytanie – czy wykonano już
5 iteracji? Jeżeli nie to należy wrócić do punktu 2 i rozpocząć kolejny test.
Natomiast, gdy wykonano piątą iteracje następuje prezentacja wyników.
6
Ostatnim elementem algorytmu jest zobrazowanie wyników.
Przedstawione zostają rezultaty obliczeń.
OCENA WIARYGODNOŚCI PROGRAMU GLOBAL MAPPER
Oceniając dokładność aplikacji Global Mapper do wyznaczania brakujących danych batymetrycznych w modelu przestrzennym dna morskiego uwzględniano kilka czynników jednocześnie. Wykonując każdy z pięciu testów analizowano kolejno:
 odległość Euklidesa,

odległość Camberra,

algorym różnicowy,

wykres rozrzutu głębokości obliczonych przez program względem
głębokości odczytanych z echosondy,

wykres rozrzutu błędów bezwzględnych (
) względem głębokości
odczytanych z echosondy,

wykres rozrzutu kwadratów błędów bezwzględnych względem głębokości odczytanych z echosondy,

histogram ilustrujący liczebność poszczególnych błędów bezwzględnych zawartych w określonych przedziałach,
19
Jarosław Mikulski

trójwymiarowy model błędów bezwzględnych wyliczonych danych.
Poniżej przedstawiono wyżej wymienione analizy przeprowadzone dla
pierwszego i ostatniego testu.
TEST I. GLOBAL MAPPER OBLICZAŁ 70% (5569) BRAKUJĄCYCH DANYCH
Odległość Euklidesa:
Odległość Camberra:
Algorytm różnicowy:
Rys. 4. Wykres rozrzutu głębokości obliczonych przez program względem głębokości
odczytanych z echosondy (test I)
20
Rys. 5. Wykres rozrzutu błędów bezwzględnych (z’-z) względem głębokości odczytanych
z echosondy (test I)
Rys. 6. Wykres rozrzutu kwadratów błędów bezwzględnych względem głębokości
odczytanych z echosondy (test I)
21
Jarosław Mikulski
Rys. 7. Histogram błędów bezwzględnych (test I)
Rys. 8. Trójwymiarowy model błędów bezwzględnych (test I)
22
TEST V. GLOBAL MAPPER OBLICZAŁ 30% (2387) BRAKUJĄCYCH DANYCH
Odległość Euklidesa:
Odległość Camberra:
Algorytm różnicowy:
Rys .9. Wykres rozrzutu głębokości obliczonych przez program względem głębokości
odczytanych z echosondy (test V)
23
Jarosław Mikulski
Rys. 10. Wykres rozrzutu błędów bezwzględnych (z’-z) względem głębokości
Rys. 11. Wykres rozrzutu kwadratów błędów bezwzględnych względem głębokości
24
Rys. 12. Histogram błędów bezwzględnych (test V)
Rys. 13. Trójwymiarowy model błędów bezwzględnych (test V)
25
Jarosław Mikulski
Tab. 1. Zestawienie miar odległości dla poszczególnych testów.
Odległość Euklidesa [m]
Odległość Camberra
Algorytm różnicowy [m]
3
Test I
Test II
Test III
Test IV
Test V
Jak pokazuje powyższa tabela wraz z dostarczaniem do programu coraz
większej ilości danych, na podstawie których Global Mapper oblicza brakujące
wartości, błędy obliczeń maleją. Największa różnica występuje pomiędzy testem
I i II, tzn. przy obliczeniach na podstawie 30% oraz 40% danych. Pomiędzy testami II, III i IV zauważa się mniejsze zmiany dla miar odległości, jednakże błąd
dalej maleje. Najbardziej efektowny wydaje się test V, ponieważ w porównaniu
z poprzednimi próbami błąd obliczeń dość znacznie maleje i przyjmuje przyzwoity poziom.
Analizując wykresy rozrzutu głębokości obliczonych przez program
względem głębokości odczytanych z echosondy można zauważyć, że zmienne
wygenerowane przez aplikacje układają się zgodnie ze zmiennymi rzeczywistymi.
Jednakże we wszystkich testach występują wartości odstające od ogólnej większości dobrze dopasowanych zmiennych. Widać to bardzo dobrze na wykresach
rozrzutu błędów bezwzględnych oraz na histogramach. W tabeli 2 przedstawiono
błędy bezwzględne dla poszczególnych testów. Błędy zawarte są w określonych
przedziałach i wyrażone są w metrach, natomiast wartości w tabeli oznaczają
liczebność poszczególnych błędów w procentach. Szczególną uwagę zwraca
przedział
, czyli przedział wartości najbardziej pożądanych.
W tym zakresie znajduje się najwięcej obliczanych głębokości, co świadczy
o wysokiej dokładności obliczeń. We wszystkich testach ponad 75% popełnionych
błędów znajduje się w przedziale ± 0,5 m.
Podobnie jak w przypadku miar odległości, dla błędów bezwzględnych
widoczna różnica zarysowuje się między dwoma pierwszymi testami oraz ostatnim. Test III i IV nie wnoszą znaczącej poprawy wyników. Ponadto, przy obliczaniu tylko 30% zmiennych (test V), program nie popełnił żadnego błędu większego
niż -2,5 m oraz tylko jeden błąd większy od 2 m.
26
Tab. 2. Zestawienie błędów bezwzględnych dla poszczególnych testów.
[m]
l.p.
Test I
Test II
Test III
Test IV
Test V
0,04%
-
-
0,03%
-
0,13%
0,04%
0,1%
0,06%
-
0,32%
0,15%
0,15%
0,28%
0,21%
0,57%
0,4%
0,45%
0,44%
0,29%
1,56%
1,05%
1,06%
0,85%
0,54%
9,27%
8,38%
8,27%
8,45%
8,55%
77,7%
79,73%
80,92%
80,29%
83,03%
8,55%
8,48%
7,99%
8,11%
6,28%
1,17%
1,36%
0,65%
1,13%
0,75%
0,48%
0,27%
0,3%
0,31%
0,29%
0,13%
0,1%
0,08%
0,03%
-
0,04%
0,02%
0,03%
-
-
0,04%
-
-
-
0,04%
-
0,02%
-
-
-
0,02%
-
-
-
-
Porównując model 3D dna z modelami 3D błędów bezwzględnych można
zaobserwować, że aplikacja najgorzej radzi sobie w miejscach, w których dochodzi do gwałtownej zmiany głębokości. W tych miejscach dochodzi do największych błędów. Natomiast prowadząc obliczenia dla łagodnego dna program
popełnia niewielkie błędy.
27
Jarosław Mikulski
WNIOSKI
Z przeprowadzonych badań wynika, że oceniając wiarygodność modelu
przestrzennego dna morskiego uzyskanego za pomocą aplikacji Global Mapper
funkcji ilości danych batymetrycznych należy uwzględnić ukształtowanie dna.
Program bardzo dobrze radzi sobie z obliczaniem nawet do 60% brakujących
danych, gdy profil dna jest łagodny. Natomiast przy mocno zróżnicowanym profilu dna, zwłaszcza przy nagłych zmianach głębokości Global Mapper popełnia duże
błędy. Dlatego w miejscach, gdzie przeplatają się nawzajem duże, strome wzniosłości i nachylenia dna (np. grzbiety śródoceaniczne) powinno się przeprowadzać
obliczenia na podstawie co najmniej 70% danych.
Ponadto, analizując wykonane obliczenia i modele graficzne można
stwierdzić, że aplikacja jest najbardziej efektywna obliczając 60% oraz 30% (testy
II i V) usuniętych danych batymetrycznych. Testy III i IV (program obliczał 50%
i 40% danych) wniosły tylko nieznaczną poprawę wyników. Wartość algorytmu
różnicowego V testu można zinterpretować jako wartość średnią popełnianych
błędów. Wynosi ona 0,28 m, co w porównaniu ze średnią głębokością akwenu
– 12,4 m jest dobrym wynikiem.
Podsumowując, Global Mapper okazał się najskuteczniejszy podczas
V testu, ponieważ pomimo zróżnicowanego ukształtowania badanego dna morskiego, z 30% obliczanych głębokości nieco ponad 83% popełnionych błędów
znajduje się w przedziale ± 0,5 m. Co za tym idzie, program można uznać za
wiarygodny do obliczania do 30% brakujących danych, niezależnie od ukształtowania rzeźby dna oraz do 60% dla dna niewiele pofałdowanego.
LITERATURA
[1] Cichocki A. Zastosowanie pól fizycznych okrętu do wyznaczania jego
położenia, Rozprawa Doktorska, Gdynia 2001.
[2] Kierzkowski W.: „Pomiary morskie. Cz. I. Pomiary hydrograficzne. T. 1”,
WSMW, Gdynia 1984.
[3] Kraak M., Ormeling F. Kartografia wizualizacja danych przestrzennych,
PWN, Warszawa, 1998.
[4] Norma Obronna NO-01-A009.
[5] Riker G. Getting Started with Global Mapper 8 and cGPSMapper, October
2006.
[6] Specht C. System GPS, BERNARDINUM, Pelplin, 2007.
28
[7] Stateczny A., Kozak M.: Budowa numerycznego modelu rzeźby terenu toru
wodnego metodą opartą na przekrojach, Zeszyty Naukowe nr 11(83) Akademii Morskiej w Szczecinie, 2006, str. 270.
[8] http://www.opengeospatial.org/standards/wms [03.01.2011 r.]
[9] http://globalmapper.com/product/features.htm [06.10.2010 r.]
[10] http://globalmapper.com.pl/workflowdiagram.html [06.10.2010 r.]
The 3D bathymetric data modelling by means of the
Global Mapper
In the papere the estimation of the reliability of the model of the spatial
seabed obtained by means of the Global Mapper application in the function
of bathymetric data quantities
Recenzent: dr inż. Krzysztof Naus
29
30
Andrzej Felski
Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego
typu kardanowego
Inercjalne Systemy Nawigacyjne, jakkolwiek stosowane od ponad półwiecza,
nadal są niezbyt znane polskim nawigatorom. Jedną z przyczyn jest zapewne niedostatek literatury w języku polskim. Przedmiotem niniejszego opracowania jest
omówienie zasadniczych własności kardanowej odmiany tych urządzeń oraz jakościowa analiza ich dokładności.
WPROWADZENIE
W roku 1911 oficer marynarki wojennej Cesarstwa Niemiec, Johan Maria
Boykow, posiadający również doświadczenie pilota, przedłożył pomysł urządzenia nawigacyjnego, które nazwał „czarną skrzynka, prowadzącą nawigację
za człowieka, gwarantując ciągłą informację o aktualnych współrzędnych pozycji”. Zaproponował, aby w charakterze sensorów użyć jednoosiowych mierników
przyspieszenia w wybranym kierunku leżącym w płaszczyźnie horyzontu.
Ponieważ całka przyspieszenia po czasie to prędkość, wiec scałkowanie sygnału
z miernika przyspieszeń (akcelerometru) daje informację o prędkości wzdłuż osi
równoległej do miernika. Zastosowanie dwóch prostopadłych mierników dałoby
informacje o przemieszczaniu się obiektu na powierzchni. Ponieważ ponowne
scałkowanie sygnałów wyjściowych daje informację o drodze przebytej wzdłuż
każdej z obu osi pomiarowych takiego przyrządu, to po dodaniu do pozycji
początkowej można w ten sposób uzyskać bieżącą informację o pozycji zliczonej.
Istotne w tym przypadku jest zapewnienie konkretnej orientacji osi czujników
względem przyjętego układu współrzędnych, co można zrealizować w oparciu
o żyroskopy.
Jeżeli zastosować trzy wzajemnie prostopadłe sensory pomiarowe
i zapewnić stabilność ich orientacji względem układu współrzędnych, to znając
pozycję początkową i zliczając na bieżąco za pomocą tego przyrządu przyrosty
współrzędnych można określić swoją bieżącą pozycję w przestrzeni. Pomysł ten
Boykow opatentował w roku 1930, nawet podjął próbę budowy takiego przyrządu, jednak ówczesny poziom technologii nie był wystarczający dla osiągnięcia
31
Andrzej Felski
rozsądnych rezultatów. Podobno samolot z prototypem, po trzech godzinach lotu
doleciał z Berlina do granicy Niemiecko-Holenderskiej, a przyrząd wskazywał
współrzędne Australii. Niemniej już w roku 1945 przyrząd taki zbudowano,
właśnie w Niemczech. Na szczęście dla ludzkości zabrakło czasu na jego masową
produkcje, bowiem miał to być system sterowania rakiet V 2.
Po ponad półwieczu pomysł ten obecnie stosowany jest dość powszechnie, zwłaszcza na obiektach kosmicznych, samolotach i okrętach wojennych
(szczególnie podwodnych), jako Inercjalny System Nawigacyjny (INS). Pomimo
wysokich kosztów i opinii doskonałego i bardzo złożonego systemu nawigacyjnego jest to w istocie urządzenie realizujące powszechnie przez nawigatorów znane
zadanie zliczenia drogi. Podobnie jak w przypadku tradycyjnie prowadzonego
zliczenia drogi system wymaga wprowadzenia współrzędnych pozycji początkowej, a jego dokładność, tak jak to ma miejsce zawsze przy zliczeniu drogi, ulega
stopniowej degradacji.
Rozważane systemy składają się zawsze z zestawu trzech ortogonalnych
mierników przyspieszeń oraz triady żyroskopów. Na pozór na wodzie i na ladzie,
w odróżnieniu od przestrzeni powietrznej i kosmicznej, możemy ograniczyć się
do znajomości dwóch współrzędnych na płaszczyźnie, jak to zakładał Boykow,
jednak w rzeczywistości, wobec kulistości Ziemi, nawet ruch po jej powierzchni
jest ruchem trójwymiarowym. Stosowane w tych przyrządach sensory funkcjonują nie względem Ziemi, jak to jesteśmy przyzwyczajeni przyjmować w innych
technikach nawigacyjnych, lecz względem przestrzeni inercjalnej, za którą można
przyjąć kosmos. Ziemia nie może w tym przypadku być traktowana, jako układ
inercjalny, ponieważ wprowadza dodatkowy ruch wirowy obiektu z nią związanego. Dlatego należy przyjąć, że nawet w przemieszczając się na powierzchni
Ziemi przemieszczamy się w przestrzeni, z dodatkowym ruchem wirowym wokół
osi naszej planety (ruch unoszenia). W przypadku nawigacji w pobliżu Ziemi
akcelerometry są instalowane tak, aby oś jednego wskazywała pion, a osie pozostałych były ustawione odpowiednio do stosowanego układu współrzędnych
(nie musi to być układ współrzędnych geograficznych). W kosmosie, gdzie
przyspieszenie Ziemskie nie ma takiego znaczenia orientacja sensorów może być
inna.
Dla utrzymania właściwej orientacji akcelerometrów, pomimo ruchów
nosiciela sensory te instaluje się na tak zwanej platformie kardanowej (w zawieszeniu kardana), której orientacja jest stabilizowana za pomocą żyroskopów.
Schemat tego rozwiązania przedstawiono na rys. 1. Istnieją również nowsze rozwiązania, niewymagające zawieszenia kardana (układy bezkardanowe) jednak
ten wariant pominiemy.
32
Charakter błędów Inercjalnego Systemu Nawigacyjnego typu kardanowego
Rys. 1. Schemat kardanowego inercjalnego systemu nawigacyjnego, na podstawie [5]
Rys. 2. Schemat ideowy inercjalnego systemu nawigacyjnego
W takich rozwiązaniach nadal powszechnie stosuje się czujniki jednoosiowe (żyroskopy i akcelerometry), a wiec należy zastosować trzy, wzajemnie
prostopadłe czujniki. Rola akcelerometrów została wyjaśniona wcześniej, natomiast żyroskopy spełniają w systemie rolę czujniki kąta w układach automatycznej regulacji położenia platformy, przekazując sygnał o jej odchyleniu do serwo33
Andrzej Felski
mechanizmów sprowadzających platformę do położenia początkowego. Dzięki
temu zachowuje się stałą orientację platformy w przestrzeni inercjalnej, co
w praktyce oznacza kosmos. Jeśli oczekujemy określania przez system współrzędnych względem układu związanego z Ziemią konieczna jest dodatkowa transformacja współrzędnych do wybranego układu.
Szkic na rys. 1 ma charakter poglądowy, w istocie, ze względu na optymalne rozmieszczenie wszystkich elementów oraz właściwe wyważenie tego
elementu platforma nie przypomina płaskiego elementu, który zazwyczaj z pojęciem platformy się kojarzy (rys. 3). Rzeczywiste konstrukcje bardziej przypominają kule zbudowane z systemu pierścieni zawieszenia kardana. Na końcu każdej
z trzech osi zawieszenia kardana znajduje się czujnik kąta, służący do odczytu
kąta położenia (obrotu) pierścienia dobrze widoczny na rys. 3b.
a)
b)
Rys. 3. Przykłady inercjalnych systemów nawigacyjnych typu kardanowego.
a - pierwszy inercjalny system nawigacyjny typu kardanowego SG 66
przeznaczony dla rakiety V2 [7]
b - nstrukcja współczesna (Marconi FIN 1000) [5]
Przedstawione na rys. 3a rozwiązanie jest pierwszym w historii inercjalnym systemem nawigacyjnym spełniającym oczekiwania praktyków. Zbudowano
go w ośrodku doświadczalnym w Peenemunde w roku 1945 z zamiarem zastosowania na rakietach V2, jednak konstruktorom zabrakło czasu na wdrożenie tej
konstrukcji. Mimo klęski hitlerowskich Niemiec konstrukcja ta zrobiła wspaniałą
karierę, tak jak i wielu pracowników zespołu Wernera von Brauna, głównego
konstruktora rakiety V 2. Zespół ten, wraz z dokumentacją techniczną oraz wie34
loma newralgicznymi elementami rakiety (w tym również z urządzeniem SG 66)
trafił do USA, gdzie kontynuował swe prace, choć rakieta zmieniła swą nazwę na
Red Stone. Po kolejnych kilkunastu latach zespół ten trafił do NASA, a zwieńczeniem ich trudu było lądowanie pierwszego człowieka na Księżycu, w pojeździe
wyposażonym w udoskonalą wersję SG 66. Na ile ta konstrukcja była pionierska
wystarczy porównać współczesną konstrukcję (koniec XX wieku) stosowaną na
samolotach Harier, z pierwowzorem (rys. 3b).
System INS dostarcza nawigatorowi informację o pozycji, prędkości i kącie drogi, orientacji przestrzennej (kurs i przechyły wzdłużne i poprzeczne) oraz
przyspieszeniach. Jednakże droga od pomysłu Boykowa do współczesnych systemów inercjalnych wymagała rozwiązania wielu problemów, których pomysłodawca sobie nie wyobrażał.
OKRES SCHULERA
Przemieszczając się w pobliżu powierzchni Ziemi staramy się zachować
horyzontalne położenie platformy, aby zniwelować wpływ przyciągania ziemskiego na akcelerometry ustawione w płaszczyźnie horyzontalnej. Gdyby sensory
te były odchylone od płaszczyzny horyzontalnej, w ich pomiarach pojawiłaby się
składowa wynikająca z rzutu wektora przyciągania ziemskiego na oś pomiarową.
Ponadto, dążymy do zachowania położenia dwóch akcelerometrów w pozostałych osiach przyjętego układu współrzędnych. W nawigacji morskiej są to najczęściej współrzędne geograficzne, jednak nie jest to rozwiązanie konieczne.
Na przykład w lotnictwie bardziej popularne są współrzędne ortodromiczne,
związane z trajektorią lotu, z kolei w kosmosie, zwłaszcza dalekim, każdy układ
współrzędnych w jakikolwiek sposób związany z Ziemią traci sens. Bez względu
na wybrany układ współrzędnych musimy zachować stałą orientację akcelerometrów względem osi wybranego układu współrzędnych. Oznacza to, że zmuszeni
jesteśmy wywoływać precesję żyroskopów w taki sposób, aby zmieniały swoją
orientację w miarę przemieszczania się obiektu wyposażonego w INS, ale również
w miarę obracanie się Ziemi, albowiem nie możemy zapominać o tym, że żyroskopy utrzymują stały kierunek w przestrzeni inercjalnej i przyspieszenia wywołane obrotem Ziemi (dośrodkowe i Coriolisa) zostaną przez akcelerometry
również zmierzone.
Przemieszczanie się po powierzchni Ziemi z dowolną prędkością liniową
v oznacza zmianę położenia kątowego promienia wodzącego R z prędkością
kątową Θ równą v/R (rys. 4). Jednakże druga pochodna kata Θ to przyspieszenie,
a wiec zmiany wartości v/R oznaczać mogą tak przyspieszenia występujące
w ruchu po powierzchni Ziemi jak i wpływ składowej poziomej przyciągania
Ziemskiego na akcelerometry odchylone od płaszczyzny horyzontu (błędy
w pomiarach przyspieszenia wywołane niezachowaniem horyzontalnego położenia platformy). Problem zachowania kierunku horyzontalnego występuje zawsze,
35
Andrzej Felski
gdy mamy do czynienia z przemieszczaniem się po powierzchni Ziemi, ale także
w wyniku obracania się Ziemi. Podobny problem pojawia się w funkcjonowaniu
żyrokompasów i już w latach dwudziestych został zauważony przez jednego
z pracowników firmy Anschutz, profesora Schulera, który odkrył, że aby podobne
urządzenia zmieniały swoje położenie względem horyzontu bez dodatkowych
oscylacji powinny być tak zbudowane, aby okres ich wahań był podobny do okresu wahadła o długości równej promieniowi Ziemi.
Rys. 4. Istota okresu Schulera (wahadło Schulera)
Okres wahań takiego wahadła wynosi około 84,4 min. Tak wiec dla uniknięcia wpływu ewentualnych odchyleń położenia platformy od horyzontu wynikających z przemieszczania się po powierzchni Ziemi lub jej wirowania system
napędu platformy powinien cechować się okresem własnych oscylacji równym
okresowi Schulera.
BŁĘDY INS
Najprostszy schemat ideowy systemu inercjalnego przedstawiono na
rys. 5. Można w nim wydzielić dwa tory pomiarowe związane z akcelerometrami
ustawionymi w południku (akcel. N) oraz równoleżniku (akcel. E), których
wyjścia podłączone są do kanałów całkujących informację i dających w konsekwencji współrzędne geograficzne. Z tymi układami sprzężone są żyroskopy
stabilizujące platformę w horyzoncie wzdłuż osi N oraz E poddawane precesji
na podstawie informacji o prędkościach przemieszczania się w południku i równoleżniku. Trzeci żyroskop stabilizuje platformę w azymucie, czyli wywołuje
obroty wokół osi pionowej. W tym miejscu warto zwrócić uwagę na fakt, iż ozna36
cza to założenie o kulistym kształcie Ziemi (współczynnik 1/R w przeliczaniu
składowych prędkości na zmianę kątowego położenia żyroskopów). W istocie
przyjmuje się elipsoidalny kształt Ziemi, wiec w rzeczywistych konstrukcjach
te człony będą nieco bardziej rozbudowane. Na schemacie należy zwrócić uwagę
na sprzężenie pomiędzy pomiarami przyspieszeń w południku i określaną na tej
podstawie prędkością liniową w południku a żyroskopem wystawionym
w kierunku E/W, którego precesja jest sterowana wartością prędkości VN.
Podobnie rzecz się ma w drugim kanale pomiarowym.
Rys. 5. Schemat blokowy INS typu kardanowego
Oczywiście nie istnieje przyrzad pomiarowy, który nie cechowałby się
pewnymi niedokładnościami, powszechnie nazywanymi błędami. Mogą one mieć
charakter systematyczny, wynikający z założeń konstrukcyjnych i losowy, powodowany niedoskonałością wykonania lub wpływem nieznanych czynników
zewnętrznych. Te drugie możemy analizować tylko metodami statystyki, natomiast wartości błędów systematycznych można przewidywać na drodze analitycznej. Dla lepszego zrozumienia tego zagadnienia posłużmy się przykładem.
A. BŁĄD NACHYLENIA PLATFORMY
Załóżmy, że okręt nie porusza sie, jednakże platforma nie znajduje się
w położeniu horyzontalnym. Niech oś równoległa do południka będzie odchylona
od horyzontu o 100 mikroradianów. W efekcie jeden z horyzontalnych akcelero37
Andrzej Felski
metrów zmierzy przyspieszenie 100mg, które w istocie będzie składową
przyspieszenia ziemskiego. Na wyjściu pierwszego układu całkującego pojawi się
informacja o zwiększającej się prędkości okrętu (załóżmy, że w kierunku północnym). To oznacza, że odpowiedni żyroskop, adekwatnie do narastającej prędkości
i związanego z tym (pozornego) przesuwania się okrętu na północ powinien
zostać poddany precesji, aby w efekcie platforma ustawiła się równolegle do horyzontu w innym miejscu na Ziemi, adekwatnie do ruchu okrętu, który prawdopodobnie ma miejsce, skoro zmierzono przyspieszenie. W pewnym momencie
spowoduje to zmniejszenie przechyłu, stopniowe doprowadzenie platformy
do położenia horyzontalnego i ostatecznie na wyjściu żadnego z akcelerometrów
nie będzie występował sygnał o przyspieszeniu. Jednak system jest „przekonany”,
że okręt utrzymuje uzyskaną w międzyczasie prędkość (fałszywe przyspieszenie
w trakcie trwania regulacji położenia horyzontalnego platformy), a wiec zmienia
szerokość geograficzną. Wobec tego nadal należy dokonywać obrotu platformy.
Wywoła to przeciwny skutek, to znaczy odchylona w przeciwnym kierunku platforma spowoduje pojawienie się tej samej składowej przyspieszenia ziemskiego,
lecz z przeciwnym znakiem, co system rozumie, jako zwalnianie okrętu
i w 42 minucie tego procesu wykaże maksymalną wartość ujemnego przyspieszenia, zerową prędkość i błąd pozycji w szerokości geograficznej o około
0,7 Mm. Wszystkie te zmienne, to znaczy przyspieszenie, prędkość i współrzędna
oscylują z okresem Schulera (patrz rys. 6).
Rys. 6. Wpływ błędu ustawienia początkowego platformy
38
B. DRYF ŻYROSKOPU
Załóżmy z kolei, że jeden z żyroskopów odpowiedzialnych za „konserwację” kierunków osi układu współrzędnych posiada dryf o wartości 0.01 stopnia/godzinę. Skutkuje to, za pośrednictwem układu serwomechanizmów,
odchylaniem platformy od właściwego położenia. Ponownie pojawia się błąd
w pomiarze przyspieszenia, który skutkuje pojawieniem się informacji o narastaniu prędkości. Ta fałszywa informacja o prędkości oscyluje również w sposób
typowy dla procesu opisanego przez Schulera, jednak wielkość ta nie przyjmuje
wartości ujemnych. Skutkuje to narastaniem błędu współrzędnej z wahaniami
charakterystycznymi dla okresu Schulera i w takim przypadku, po godzinie,
ponownie błąd współrzędnej wyniesie około 0,7Mm, jednak po dwóch godzinach
błąd ten wzrośnie do około 1,5Mm, mimo, że okręt cały czas stoi w porcie.
Rys. 7. Wpływ dryfu żyroskopu
C. DRYF ŻYROSKOPU AZYMUTALNEGO
Dryf żyroskopu odpowiedzialnego za utrzymanie orientacji w azymucie
wywołuje inne skutki niż dryf żyroskopów utrzymujących horyzontalne położenie platformy. Pojawi się obrót platformy wokół kierunku pionu, co w przypadku
opisanym powyżej spowoduje stopniowo pojawienie się odczytów w akcelerometrze ustawionym w kierunku E-W i zmniejszanie się odczytów w akcelerometrze
39
Andrzej Felski
N-S. Zjawiska opisane powyżej w odniesieniu do kierunku południkowego
pojawią się również w kierunku równoleżnikowym, jakkolwiek ich wartości będą
różne, zależnie od wartości błędu w azymucie. Niemniej sumaryczny błąd będzie
podobny, tylko kierunek pozornego przemieszczenia okrętu będzie zmieniał się
w miarę upływu czasu. Wpływ tego błędu jest mniejszy, przyjmuje sie, że dla
dryfu żyroskopu azymutalnego 0,2 stopnie/godzinę po godzinie pojawi się błąd
rzędu 1 Mm.
D. INNE ŹRÓDŁA BŁĘDÓW
Powyższe trzy przykłady dają wyobrażenie o dynamice błędów występujących w systemach inercjalnych, jednakże istnieje wiele innych źródeł błędów.
Na szczególną uwagę zasługują: niewspółosiowość sensorów i układu współrzędnych, niestabilność współczynnika skali obrazująca zależność pomiędzy
mierzonymi parametrami a wartością sygnału na wyjściu sensora czy wreszcie
nieliniowości tych zależności. Wiele z tych błędów zmienia swoje wartości
przy kolejnym włączeniu systemu i ma całkowicie losowy charakter. Skutek tych
błędów można ocenić metodami statystyki oceniając promień błędu sumarycznego. Typowa wartość przyjmowana dla współczesnych, morskich INS to w przybliżeniu 0,5Mm na godzinę. Należy podkreślić, że błąd ten nie narasta liniowo,
lecz w znacznym stopniu oscyluje. Przykład takich zmian w przedziale 13 godzin
żeglugi przedstawiono na rys. 8.
Rys. 7. Błędy wyznaczeń współrzędnych pozycji typowym systemem INS w funkcji czasu
40
Omawiając zagadnienie błędów INS zwróciliśmy uwagę tylko na zasadnicze źródła pomijając wiele z nich. Wśród pominiętych należy wymienić przyspieszenie Coriolisa i przyspieszenie odśrodkowe wywoływane przez obrót Ziemi,
eliptyczność Ziemi oraz nieznajomość rzeczywistego rozkładu przyspieszenia
Ziemskiego, a także kształt powierzchni Geoidy i wahania poziomu morza.
LITERATURA
[1] Britting K. R. Inertial Navigation Systems Analysis. Artech House, Boston,
London, 2010.
[2] Farrell J. A. Aided Navigation. Mc Graw Hill, New York, 2008.
[3] Groves P. D. Principles of GNSS, Inertial and Multisensor Integrated Navigation Systems. Artech House Boston, London, 2008.
[4] Jekeli Ch. Inertial Navigation Systems with Geodetic Applications. De Gruyter, New York, 2001.
[5] King A. D. Inertial Navigation – Forty Years of Evolution. GEC Review, vol.
13, no. 3, 1998.
[6] Lawrence A. Modern Inertial Technology. Springer, New York, 2001.
[7] Mackenzie D. Inventing Accuracy. A Historical Sociology of Nuclear Missile
Guidance. The MIT Press Cambridge, London, 1993.
Inertial Navigation Systems, somehow applied from over half-centuries, are
still not very well-known to polish navigators. One of reasons is surely the lack of the
literature in Polish. An object of the present elaboration is the discussion of properties and principle of the platform (mechanized) version of these devices and the
qualitative analysis of their accuracy.
41
42
Andrzej Felski, Krzysztof Jaskólski
THE INTEGRITY OF THE NAVIGATION INFORMATION
RECEIVED BY MEANS OF AIS
Automatic Identification System becomes more and more popular on all
ships, and crews are more and more familiar with them. However the confidence of
navigators to the information gained from this device is growing up permanently
some time cases, when AIS delivers the misinformation, are observed. An aim of the
report is the discussion over the degree of confidence, which we can have to the information gained with this way.
THE GENERAL INFORMATION CONCERNING AIS
According to SOLAS74 Convention, Rule 19.2.2., Chapter V (Safety of Navigation), approved on July 1, 2002, all vessels exceeding 300 tones of dead weight
and carrying international cruises are obliged to be equipped with onboard automatic identification system receivers. However, one should take a note of the fact
that, according to SOLAS 74, Rule 19.2.4.1-3, Chapter AIS, two types of AIS receivers exist, namely: 1) Class A - Shipborne Mobile Equipment, designed for maritime
SOLAS ships and 2) Class B - Shipborne Mobile Equipment for non-SOLAS vessels.
This implies that it is expected non-SOLAS vessels will occur more frequently than
SOLAS vessels with Class A AIS receivers.
The main task of AIS system is transmitting binary messages in the following ways 1) ship to ship and 2) ship to shore to ship, as well as presenting the results with the use of appropriately programmed devices [8]. According to SOLAS
74 Resolutions, Chapter V, AIS system enables:




automatic transmission of: 1) ship identification data, 2) actual geographic position, 3) course, 4) speed, 5) navigational status,
6) hazardous cargo type and 7) short safety-related messages, to the
base stations, other ships and aircrafts,
automatic receiving of the information mentioned above, broadcasted by the vessels having the same equipment as the receiver,
automatic monitoring of geographic position and monitoring of other vessels equipped with AIS,
automatic exchange of information with shore base stations.
43
Class A AIS system broadcasts: 1) static, dynamic and voyage related data,
2) short safety-related messages, and 3) navigation and hydrographic warnings
on demand, which are directed to single AIS user or selected group of users. Static
information is implemented in the AIS during installation and updated upon
changes in the ship name or call sign. Additionally, changes of information are
implemented after: 1) ship reconstruction, 2) changes in basic dimensions, or 3)
in case of changes in AIS-antenna position. Static information is secured to prevent unauthorized access. The following parameters constitute static information:
a. ship name and call sign,
b. MMSI (Maritime Mobile Service Identity) and IMO numbers,
c. the type of ship defined by two-digit code,
d. location of antenna fixing position on the ship (aft of bow and port or
starboard of centerline),
e. length and beam.
DYNAMIC INFORMATION INCLUDES:
a. time in UTC (Universal Coordinated Time) from GPS receiver,
b. ship position from GPS Receiver connected to AIS with accuracy indication
and integrity status,
c. course over ground and speed over ground (updated from GPS receiver),
d. heading,
e. ROT (rate of turn),
f. navigational status (manual input by operators according to COLREG72).
The third type of information is voyage related data, which includes the
following:
a. actual, maximum ship draught,
b. information concerning hazardous and harmful cargo carried and maritime pollutants. This information is required by domestic maritime
administrations, ship reporting systems and port authorities,
c. destination port and ETA (Estimated Time of Arrival),
d. route plan (waypoints) as required by component authorities,
e. the number of person on board with crew.
During autonomous mode, Class A AIS - Shipborne Mobile Equipment
broadcasts static information every 6 minutes and, if necessary, on demand.
Dynamic information is transmitted depending on the speed over ground. Voyage
related data is transmitted every 6 minutes and upon changes in any component
of information. It implies that AIS system ensures continuous access to actual
information about other ships with simultaneous reduction of excessive information by reducing the transmission of information that is not subject to changes.
44
The integrity of the navigation information received by means of AIS
The question arises with regard to the reliability of the information, which
sources are unknown. It is widely known that reliability of device can be assessed
if one is able to verify the correctness of working appliance. As far as AIS system
is concerned, source of information is not verified (human on another ship,
unknown devices). Additionally, one should take into account that one of the conditions of proper AIS system operation is to ensure efficient communication
channel. Taking into consideration scientific publications related to the reliability
of AIS system, there is a variety of accidents, when the received AIS information
is evidently incorrect. There is no available information about accidents when
mistakes are not evident and therefore may not be perceived.
Up to now, quality analysis of AIS information has been conducted by
Polish Maritime Administration. The research revealed that transmitted AIS information is incorrect or incomplete in 20-30% [3]. Another sources of reliability
research revealed that majority of vessels transmit correctly only dynamic information obtained from devices connected to AIS transponders. Voyage related data
inserted by operators is undefined or incorrectly determined in 90% [13].
RESEARCH METHODS OF AIS RELIABILITY
Since AIS system broadcasts different types of information i.e. text and
binary, static and dynamic, and the assessment of AIS information correctness can
be performed by the comparison of this information with actual information; the
problem proves to be complex. To date, in publications concerning AIS research,
it is possible to find results of reliability studies based on statistical analysis of
static information errors. Another approach assumes the use of statistical techniques of multiple regression. The main aim of the application of this methodology is to assess the users satisfaction of AIS information. These studies of AIS
information are based on questionnaire methods.
It is worth to note that, commonly, the efficiency of navigation systems
is expected to meet the standards in specified conditions and defined time frames.
It is not always understood in terms of the quality of information received from
the device. One cannot be satisfied only with the proper operation of device
in navigational conditions. Navigation system is expected to provide reliable
information. Quality of navigational information is identified with a set of characteristic features defining the capabilities of AIS to fulfill existing and future user
expectations.
45
A. THE INVESTIGATION OF THE QUALITY OF AIS SERVICE WITH
STATISTICAL METHODS
The method of statistical analysis of AIS system static information quality
was presented by Harati –Mokhtari et al. in [9]. The authors defined the types of
mistakes and errors made by AIS system users. Statistic analysis of AIS information quality is based on the modification of reliability system model referred to as
“Swiss Cheese Model”
Fig. 1. “Swiss Cheese” Model of human errors in AIS system [9]
It is estimated, that at least 80% of all recorded maritime accidents result
from human errors. Therefore, the contribution of human error as a main factor
leading to the increased number of maritime accidents was studied over a tenyear period of 1991-2001 [9].
Reliability studies of AIS information have been conducted by Liverpool
John Moores University in three locations:

VTS Liverpool - in time period of September – October 2005, where information about 94 vessels was recorded;
46


AISLive Company of Lloyds Register-Fairplay Ltd – in time period from the
1st of March to the 17th of March 2005, where 400059 reports were recorded, of which 30946 reports were assessed;
Service AISWeb of Dolphin Maritime Software Ltd. - from the 23rd of November 2005 to the 2nd of May 2006.
The criterion of reliability assessment of AIS information was presented in
table 1. In the table, “0”value means failure state, whereas “1” value means
contrary occurrence – working state – information in exploitation state with ability to use in navigation process. In this method, the criteria of reliability of AIS static information are defined in the from of constraints, as shown below in table 1.
Tab. 1. Criterion of the assessment of AIS information reliability [9].
No.
Static information component
Completeness of
information
1.
MMSI
0 – not defined
1 – defined
2.
VESSEL TYPE
0 – not defined
1 – defined
SHIP’S NAME
& CALL SIGN
3.
0 – not defined
1 – defined
4.
VESSEL NAVIGATIONAL
STATUS
0 – not defined
1 – defined
5.
LENGTH
0 – not defined
1 – defined
6.
BEAM
0 – not defined
1 – defined
7.
DRAUGHT
0 – not defined
1 – defined
8.
DESTINATION AND ETA
0 – not defined
1 - defined
Coefficients of lacking integrity information
0 for MMSI with values [0,1, less than 9
digits, 999999999, 888888888, etc,
123456789, 987654321, 012345678,
876543210]
1 for correctly defined MMSI number
according to ITU RM. 1371
0 for incorrectly defined vessel type at
variance with destination ship
1 for correctly defined parameter
0 – ship name without marks,
1 – ship name contains max. 20 ASCII
characters, IMO number contains max.
7 ASCII characters
0 for SOG>10 knots, when the status is
„Moored”
0 for 0 m,
0 for 0 m,
0 for 0 m,
-
Findings of the reliability studies are summarized below, organized by
individual AIS field.

MMSI – 26 of 1193046 reports included errors in numbers. The main reason for errors in MMSI were errors made by the personnel responsible for
47






the system installation. The threat of occurrence of two or more identical
MMSI numbers exists.
VESSEL TYPE – in 6% of received reports the vessel type was not defined.
Generally, in 3% of reports the vessel type was simply defined as “vessel”.
SHIP NAME, CALL SIGN – The lack of ship name or call sign has been
observed in 0,5% of cases. Another issue was the ship name abbreviation
resulting from the fact that the field is limited to 20 characters in the AIS
equipment.
VESSEL NAVIGATIONAL STATUS – was incorrectly defined in 30% of received reports, including 4% cases, where “power driven vessel underway
using their engine” transmitted information “underway sailing”. Other
examples revealed in the course of the research include: a ship underway
at 10 knots shown as “At anchor” or “Moored”.
LENGTH AND BEAM – Error information cases reported in 47%.
DRAUGHT – in 69,5% draught value was incorrect or not defined, of which
17% of cases related to undefined information about actual draught or
value amounting to 0 m. It was also observed that in 14% of the AIS
draught entries is grater than the length of the ship.
DESTINATION AND ESTIMATED TIME OF ARRIVAL – In the sample of
30946 AIS reports with static information received, 49% contained errors
in the ETA field . The most frequently occurring incorrect AIS entries
were: a number string instead of destination, country name instead of port
name. There are cases when ETA or destination field was reported: “not
available”, “not defined”, or blank.
B. THE STATISTICAL ANALYSIS OF AIS INFORMATION ACCORDING
TO N. BAILEY
At the same time i.e. in the year 2005, similar research of AIS information
has been conducted in Dover Strait.. Dover Strait appears to be narrow and high
traffic intensity channel area. Therefore, it proves to be extremely dangerous area,
where a reliable and complete navigational information is required. The research
has been conducted by Dover Coastguard Channel Navigation Information Service
(CNIS), at the VTS area, within a 7-day period [2]. The studies on reliability and
completeness of AIS information have been conducted by the comparison of two
sources of information. Static information and voyage related data have been
compared to verbal information. Verbal information has been reported at the
Channel 16 (156,8 MHz) to VTS operators upon the entrance to and the departure
from VTS area, respectively. It was assumed that information transmitted by radiotelephone is reliable, whereas AIS information may contain errors. Resea
rch details were divided into categories depending on transmitted information.
Percentage depiction of AIS static information has been presented in Fig 2.
48
Fig. 2. AIS static information errors transmitted by AIS mobile equipment [2]
Obtained results of the research confirmed the thesis that, most frequently, the information concerning draught and destination is reported incorrectly.
Information about draught is subject to an error of less than or equal to 1 m. In
addition, Bailey research provided the knowledge on AIS dynamic information
errors. In this area, course and speed information errors have been observed.
When applying comparison methods it is possible to examine the quality of AIS
dynamic information by comparing it with RADAR dynamic information. However, this methodology may be questioned, since the accuracy of course and speed
determined by VTS sources is relatively of poorer quality than by GPS sensors. In
5 cases, the difference in course between RADAR and AIS dynamic information
amounted to 180 degrees. Presumably, the deviation concerned 2 different ships
considered as 1 ship. Mistakes have been made by VTS operators.
C. END-USER SATISFACTION MODEL
As far as the latest research is concerned, the limitations of AIS information reliability are attributed to static information inserted manually by AIS operators. The data on information transmitted automatically by navigational sensors
are modest. However, it does not mean that dynamic information is more reliable.
It is rather more complex to investigate AIS dynamic information reliability.
In [10], different approach to AIS information research was presented. The
assessment of system acceptance has been conducted. As it was shown, AIS
49
system is imperfect. End User Satisfaction Model (EUSM) has been adopted from
management research. EUSM is based on multiple regression coefficients, defining
various factors.
It was assumed that the main source of perceived AIS information errors
are human errors divided into 5 groups, namely:
 operator failures – AIS system users,
 installation failures,
 design failures,
 training and management failures,
 regulatory failures.
The main part of the assessment of perceived usefulness is a questionnaire
with questions divided into groups. According to [1], the main X ij variables in the
model are:
 System Quality (SQ) – concerns the level of the complexity of data gathering, the time of system response, information accuracy and reliability;
 Self-Efficacy (S-E) – ability to perform tasks successfully, with the estimation of the degree of efforts required in challenging situations;
 Perceived Usefulness – concerns the degree to which an individual
believes that using a particular system will enhance a job performance;
 Perceived Ease of Use – concerns the degree of the system use with simultaneous reduction of exploitation problems.
SYSTEM QUALITY
PERCEIVED USEFULNES
END-USER SATISFACTION
SELF-EFFICACY
PERCEIVED EASE OF USE
Fig. 3. End-User Satisfaction Model [1]
Variables are interconnected in different ways, as it was presented
in fig. 3. End-User Satisfaction Model enhances considerably AIS information
assessment, since the model concerns not only reliability. However, the model has
its drawbacks –subjectivity of the questioned person. In addition, the assessment
does not include the quality of AIS dynamic information. This type of assessment
requires independent measurements and for this reason it will not be performed
by the users.
50
CONCLUSIONS
The knowledge on AIS information reliability is relatively low and therefore it can hardly be considered objective. It should be taken into consideration
that the knowledge was obtained in the period of rapid implementation of the
system. It resulted in the lack of operators training in AIS maintenance and it is
potentially the source of many cases of improper system working.
Efficiency of navigation system, including AIS, can be assessed using the
value of processed information error. The errors concern incorrectly reported
position, course, speed or non-quantitative factors i.e. human factor errors. Thus,
a question arises – what is or what will the AIS reliability level be in the future?
The following questions stems from the previous one – what tools can potentially
be applied in AIS reliability studies? The assessment of information reliability can
be based on the assumption that the transfer of navigational information between
the system users may be treated with similar approach as the assessment of the
reliability of devices. In this case, the process of information transfer resulting in
the delivery of reliable information to the user may be treated as the functioning
of information channel, similarly to other devices. The process can be examined
using the theory of reliability, developed in [5, 7, 11, 12].
REFERENCES
[1] Adamsom I., Sine J., Extending the New Technology Acceptance Model to
Measure the End User Information Systems Satisfaction in a Mandatory Environment: A Bank’s Treasury. Technology Analysis & Strategic Management,
Vol. 15, No. 4, pp. 441-455, 2003.
[2] Bailey N., Training, technology and AIS: Looking Beyond the Box, Proceedings
of the Seafers International Research Centre’s, 4th International Symposium
Cardiff University, pp. 108-128, 2005.
[3] Drozd W. et all, Operational status of Polish AIS network, Advances in marine
navigation and safety of sea transportation, Akademia Morska, Gdynia, 2006.
[4] Felski A,. Implementation of AIS in air pollution investigations European
Navigation Conference GNSS 07, pp. 354-360, Geneva, 2007.
[5] Felski A., Jakubowski B., Niezawodność systemu nawigacyjnego w kontekście
przetwarzania informacji, Zeszyty Naukowe AMW nr 1, pp. 5-21, Gdynia
2004.
[6] Felski A., Piaseczny L., Monitoring of the Movement of the Objects on the
Gdanska Bay in Order to Recognize the Characteristics of their Main Propulsion Systems, Proceedings of the Congress PTNSS, pp. 377-382, Kraków,
2007.
51
[7] Jakubowski B., Niezawodnościowe aspekty przetwarzania informacji w zintegrowanym systemie nawigacyjnym, Praca doktorska, AMW, Gdynia 2005.
[8] Jaskólski K. Ocena wpływu wprowadzenia systemu AIS na bezpieczeństwo
żeglugi na Bałtyku, Praca magisterska, AMW, Gdynia 2004.
[9] Harati-Mokhtari A. et all, Automatic Identification System (AIS): A Human
Factors Approach, Liverpool John Moores University, Journal Navigation
[10] Harati-Mokhtari A. et all, AIS Contribution in Navigation Operation-Using AIS
User Satisfaction Model, 7th International Symposium on Marine Navigation
and Safety of Sea Transportation. Akademia Morska, pp. 187-193, Gdynia,
2007.
[11] Specht C., Availability, Reliability and Continuity of Differential GPS Transmision, Annual of Navigation, no 5, Polish Academy of Sciences, Gdynia, 2003.
[12] Trautenberg H. L., Alternative Galileo Space vs. Grodnu Segment Weighting
and Impact on Architecture and Performance, European Navigation Conference – GNSS 05, pp. -, 413_Prezentacja, Monachium 2005
[13] Vorobiev A., Electronic Chart Systems – Type Approval and Functionality
Aspects, Conference AIS/05 Seattle, Transas Technologies Ltd, St.Peterburg,
2005.
WIARYGODNOŚĆ INFORMACJI NAWIGACYJNEJ
PRZEKAZYWANEJ ZA POŚREDNICTWEM SYSTEMU AIS
Odbiornik systemu automatycznej identyfikacji statkowej staje się powszechnie
stosowanym urządzeniem wymiany informacji nawigacyjnej na wszystkich statkach.
Załogi jednostek pływających coraz częściej wykorzystują dane pochodzące z odbiorników AIS. Pomimo faktu, iż zaufanie użytkowników do informacji pochodzącej z odbiorników AIS stale zwiększa się, występują przypadki ograniczenia wiarygodności
raportów transmitowanych przez ten system. W niniejszym artykule przedyskutowano
problem wiarygodności oraz stopień zaufania użytkowników do dostarczonej przez AIS
informacji.
Recenzent: dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW
52
Aleksander Nowak, Dariusz Szulc
MONITOROWANIE MAŁYCH, SZYBKO PORUSZAJĄCYCH
SIĘ OBIEKTÓW STATYCZNE i DYNAMICZNE POMIARY
ZASIĘGU PRACY RADIOMODEMÓW
Poniższy artykuł prezentuje wyniki pomiarów transmisji danych poprzez
radiomodemy zintegrowane z odbiornikami GPS. Testowe transmisje zostały przeprowadzone w wariancie statycznym – nadajnik i odbiornik nie poruszają sie, oraz
w wariancie dynamicznym – nadajnik jest w ruchu.
WSTĘP
Funkcjonowanie na współczesnym teatrze działań bojowych, zarówno
lądowym, jak i morskim, wymaga znajomości aktualnej i dokładnej lokalizacji
obiektów, co jednocześnie stanowi warunek konieczny skutecznego i efektywnego planowania i realizacji wielu zadań. Dotyczy to zarówno pojazdów jak i pojedynczych żołnierzy. Wykorzystywane w technice militarnej obiekty szybko poruszające się wymagają wielokrotnie większej niż dotychczas szybkości określania
ich lokalizacji, parametrów ruchu (wektora stanu), jak również wielokrotnie
większej precyzji określania tychże parametrów. Istniejące rozwiązania techniczne zapewniające określanie współrzędnych przestrzennych obiektów poruszających się opierają się głównie o satelitarne systemy pozycjonowania (GPS), które
przy swojej powszechnej dostępności zapewniają globalny zasięg. Prostota konstrukcji oraz niski koszt naziemnych odbiorników GPS umożliwiły wykorzystanie
ich na skalę masową w różnych dziedzinach działalności technicznej człowieka.
Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom została podjęta próba skonstruowania miniaturowych odbiorników GPS w technice RTK wraz z transmisją radiową rejestrowanej pozycji do centrum monitorowania wektora ruchu badanego obiektu.
Miniaturowy odbiornik musi posiadać dwie cechy: dokładność pozycji oraz jej
transmisję. W dalszej części została opisana procedura testowania modułów łączności.
53
ZESTAW POMIAROWY GPS - RADIOMODEM
ODBIORNIK GPS
W pomiarach wykorzystano zestaw GPS/RTK firmy NovAtel, oparty na
modułach OEMV-1. O wyborze zestawu zadecydowały parametry techniczne, cena
oraz fakt, że firma posiada swoje przedstawicielstwo w Polsce, które zapewnia
pomoc techniczną i merytoryczną związaną z zastosowaniami praktycznymi modułów. NovAtel OEMV-1 jest wysokowydajnym silnikiem GPS zawierającym opatentowaną technologię Vision Correlator, wsparcie dla programistów (API) oraz
zintegrowaną obsługę korekcji OmniStar. OEMV-1 oferuje jednoczęstotliwościowe RTK o dokładności wyznaczeń <20 cm i cechuje się niskim poborem mocy.
Wygląd płytki przedstawiono na poniższym rysunku.
Rys. 1. Odbiornik NovAtel OEMV-1
Technika RT-20 zastosowana w odbiorniku, jest bardzo skuteczną i wiarygodną techniką RTK zapewniającą 20 cm dokładność wyznaczeń dynamicznych,
z częstotliwością 20 Hz.
TRANSMISJA RADIOWA DANYCH POMIAROWYCH
Ze względu na wymiary oraz wagę układu zdecydowano się na rozwiązania w technologii ZigBee. Podstawową właściwością tej technologii jest możliwość
retransmisji danych między skrajnymi węzłami sieci zorganizowanej w topologii
mesh. Węzły, które nie mogą się ze sobą bezpośrednio komunikować (np. węzły
krańcowe sieci), przesyłają do siebie dane wykorzystując węzły wewnętrzne sieci
do przekazania danych do węzła docelowego. Zasada pracy jest analogiczna do
routingu znanego z sieci IP. Umożliwi to w przyszłości monitorowanie nie jednego, ale większej liczby obiektów szybkich na większym obszarze. Technologię
54
Monitorowanie małych, szybko poruszających się obiektów statyczne i dynamiczne …
protokołu 802.15.4 ZigBee zaprojektowano tak, aby spełnić następujące wymagania:
 Mały pobór mocy.
 Łatwość użycia. ZigBee posiada tylko dwa tryby pracy: aktywny (wysyłanie/odbiór sygnału) oraz stan uśpienia. W ten sposób aplikacje nie muszą wybierać odpowiedniego trybu w zależności od potrzeb transmisji – dzieje się to
niezależnie.
 Niskie koszty.
 Możliwość obsługi bardzo dużej liczby urządzeń.
Chociaż zasięg urządzeń wykonanych w technologii ZigBee jest rzędu
100 m to wykorzystując układy XBeePro firmy MaxStream można zwiększyć go
kilkukrotnie (w terenie otwartym nawet do 1.6 km). Na rys. 3.1 pokazano układy
XBeePro z różnymi wersjami anten.
Rys. 2. Moduły XBeePro z różnymi wersjami anten
Rys. 3. Układ modemu radiowego z modułem XBeePro
55
ZigBee jest stosem protokołów opartych na standardzie IEEE 802.15.4,
opisującym warstwę fizyczną (PHY – Physical Layer) oraz warstwę dostępu do
medium (MAC – Medium Access Control Layer). Zatwierdzony w roku 2003 standard IEEE 802.15.4 definiuje prosty lecz silny protokół pakietowy o następujących właściwościach:
 wysoka niezawodność poprzez potwierdzanie odbioru,
 mechanizmy zapewniające integralność i poufność transmisji,
 transmisja z rozpraszaniem widma metodą sekwencji bezpośredniej,
 łączność oparta na priorytetach,
 zdolność zmiany częstotliwości dla uniknięcia interferencji.
Do zapewnienia transmisji danych z urządzeń GPS wykorzystane zostaną
modemy z modułami XBeePro (rys. 3.2.). Ich podstawowe parametry to:
 Zasięg: wewnątrz budynków do 100m, na zewnątrz do 1.6 km,
 Częstotliwość pracy: 2,4000 – 2,4835 GHz,
 Moc wyjściowa: 60 mW (18 dBm),
 Czułość odbiornika: - 100 dBm,
 Liczba kanałów: 12 kanałów z rozpraszaniem bezpośrednim (wybór
kanału - programowo),
 Max. transfer danych: 250 Kb/s,
 Porty we/wy: 3V CMOS UART,
 Zakres napięć zasilających: 2,8 – 3,4 V,
 Pobór prądu: nadawanie 215 mA ; odbiór 55 mA (@ 3.3 V),
 Wymiary: 2.438 cm x 3.294 cm.
INTEGRACJA MODUŁU GPS I RADIOMODEMU
Płytka odbiornika GPS oraz modułu radiowego zostały umieszczone
w jednej obudowie z wyprowadzoną anteną radiową, złączem do podłączenia
anteny GPS oraz zasilaniem.
Rys. 4. Integracja odbiornika GPS oraz radiomodem
56
POMIARY TRANSMISJI RADIOWYCH DANYCH POMIAROWYCH
antena A24-HABUF-P51
radiomodem z anteną
A24-HABUF-P51
moduł XBeePro z anteną
typu Whip
Rys. 5. Różne typy anten radiomodemów
Do transmisji radiowych użyto radiomodemów z dwoma typami anten
(rys. 6).
POMIARY STATYCZNE ZASIĘGÓW ŁĄCZNOŚCI
Pomiarów zasięgów łączności radiomodemów dokonano z wykorzystaniem oprogramowania X-CTU umożliwiającego konfigurację radiomodemów.
Rys. 6. Schemat układu do pomiaru zasięgu łączności
57
Pomiary z dwoma różnymi antenami:
położenie modemu nr 1 (antena A24-HABUF-P51) - pkt. A,
φ0 = 54° 36,2846 N
λ0 = 018° 27,1652 E.
φ5 = 54° 36,3063 N
λ5 = 18° 25,5825 E
φ0 = 54° 36,2846 N
λ0 = 18° 27,1652 E
Dmax = 1698 m
A
B
Rys. 7. Rozmieszczenie punktów pomiarowych w terenie cz. 1
W wyniku pomiarów otrzymano procentowy udział poprawnie otrzymanej transmisji danych na zadanej odległości.
Tab. 1. Położenie modemu nr 2 (antena typu Whip) – pkt. B
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Pozycja modemu
nr 2
φ1 = 54° 36,2892 N
λ1 = 18° 27,0569 E
φ2 = 54° 36,2954 N
λ2 = 18° 26,9352 E
φ3 = 54° 36,2897 N
λ3 = 18° 26,7951 E
φ4 = 54° 36,2953 N
λ4 = 18° 26,6547 E
φ5 = 54° 36,2918 N
λ5 = 18° 26,5013 E
φ6 = 54° 36,2950 N
λ6 = 18° 26,2839 E
odległośd
[m]
Pomiar 1
Pomiar 2
Pomiar 3
116.3
100 %
100 %
100 %
247.3
99 %
100 %
99 %
397
100 %
100 %
99 %
547.8
100 %
100 %
100 %
712.1
99 %
100 %
98 %
945.4
30 %
40 %
21 %
58
Pomiary z dwoma identycznymi antenami (antena A24-HABUF-P51)
położenie modemu nr 1: φ0 = 54° 36,2864 N λ0 = 18° 27,1652 E
Tab. 2. Położenie modemu nr 2 (antena A24-HABUF-P51) – pkt. B
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
Pozycja modemu
nr 2
φ1 = 54° 36,2870 N
λ1 = 18° 26,7337 E
φ2 = 54° 36,2940 N
λ2 = 18° 26,3032 E
φ3 = 54° 36,2988 N
λ3 = 18° 25,9945 E
φ4 = 54° 36,3006 N
λ4 = 18° 25,7549 E
φ5 = 54° 36,3063 N
λ5 = 18° 25,5825 E
odległośd
[m]
Pomiar 1
Pomiar 2
Pomiar 3
462.7
100 %
100 %
100 %
924.6
100 %
99 %
99 %
1255.9
100 %
100 %
100 %
1513
99 %
98 %
93 %
1698
100 %
100 %
100 %
Rys. 8. Pomiary w terenie
POMIARY DYNAMICZNE
Rysunek poniżej przedstawia rozmieszczenie punktów pomiarowych
w trakcie pomiarów dynamicznych, w których samochód poruszał sie pomiędzy
punktami A-C.
59
φ1 = 54° 36,3043 N
λ1 = 018° 26,0380 E
φ0 = 54° 36,2823 N
λ0 = 018° 26,7512 E
766,1 m
A
φ2 = 54° 36,2845 N
λ2 = 018° 27,2413 E
525,7 m
B
C
Rys. 9. Rozmieszczenie punktów pomiarowych w terenie cz. 2
Zebrane wyniki pomiarowe procentowo poprawnie odebranych bloków
danych przedstawiają dwie poniższe tablice.
Tab. 3. Poruszający się samochód na odcinku A-C.
odległośd A – B
popr.
nieodebraodebrane
ne bloki
bloki danych
danych
odległośd A – C
popr.
nieodebraodebrane
ne bloki
bloki danych
danych
%
poprawnie
odebranych
bloków
L.p.
prędkośd
[km/h]
1.
50
333
9
630
9
98.6 %
2.
80
217
4
433
4
99.1 %
3.
120
120
0
266
3
98.9 %
Tab. 4. Poruszający się samochód na odcinku C – A.
L.p.
prędkośd
[km/h]
1.
2.
3.
30
50
80
4.
120
odległośd C – B
popr. odenieodebrane
brane bloki
bloki dadanych
nych
405
1
280
0
174
0
144
3
odległośd C – A
popr. odenieodebrane
brane bloki
bloki danych
danych
970
1
672
2
387
5
268
60
3
% poprawnie odebranych bloków
99.9 %
99.7%
98.7 %
98.9 %
WNIOSKI
1) W wyniku przeprowadzonych pomiarów otrzymano zadowalające zasięgi
poprawnej pracy radiomodemów zarówna na małej antenie – powyżej 700 m
jak i na dużej – na poziomie 1700 m. Warunkiem poprawnej transmisji jest
wzajemna widoczność anten.
2) Nie odnotowano wpływu prędkości poruszającego się obiektu na jakość
transmisji danych zarówno w trakcie zbliżania jak i oddalania od stacji bazowej przy prędkościach do 120 km/h.
3) Podstawowym problemem pracy stacji ruchomej staje się zasilanie. Przy
maksymalnych mocach nadawczych bateria 9V o pojemności 300 mAh zapewniała zasilanie przez ok. 4.5 minuty. W przyszłości należy przeprowadzić
odpowiedni dobór mocy nadawczej do spodziewanych zasięgów pracy stacji
ruchomej.
LITERATURA
[1] FRNP, (1990), Federal Radio Navigation Plan, Document DOT-VNTSC-RSPA90-3/DOD-4650.4, U.S. Depts. Of Transportation and Defense.
[2] Nikiforov I., (2003), Multi-Sensor Integrated Navigation Systems Integrity
Monitoring, Proceedings of the International Technical Meeting of the Institute of Navigation, ION GPS-03
[3] Brown R.G., (1996), Receiver Autonomous Integrity Monitoring, Global Positioning System: Theory and Applications, vol. II.
SMALL AND FAST MOVING OBJECTS MONITORING.
STATIC AND KINEMATIC MEASUREMENTS OF
RADIOMODEMS RANGE
The paper presents the measurements results of data transmission with
usage of radiomodems integrated with GPS receivers. Tests of transmissions were
done is static variant – transmitter and receiver did not move and in kinematic one
– transmitter was moving.
61
62
Dariusz SZULC
ANALIZA OBRAZÓW SONAROWYCH DLA ZAPEWNIENIA
BEZPIECZNEGO POSTOJU STATKU W PORCIE
W artykule zaprezentowano wykonane rejestracje sonarowe uzyskane za
pomocą sonaru stacjonarnego MS 1000. Przeprowadzona analiza zapisanych obrazów dowodzi możliwości detekcji małych obiektów zalegających w basenie portowym a mogących jednocześnie stanowić potencjalne zagrożenie dla cumujących
tam statków.
WSTĘP
Transport morski odgrywa znaczącą rolę w gospodarce światowej. Szacuje się, ze drogą morską dokonywane jest ponad 80% międzynarodowej wymiany
handlowej. Surowce pokrywające 50% popytu Europy zachodniej na ropę naftową transportowane są na statkach. Niebagatelne znaczenie obiektów portowych
i jednostek pływających sprawia, że coraz częściej znajdują się one na celowniku
organizacji uznawanych za terrorystyczne.
W warunkach dobrej ochrony celów lądowych i powietrznych, która została szczególnie zintensyfikowana po atakach na prestiżowe obiekty w USA we
wrześniu 2001 roku, jest wysoce prawdopodobnym, że współczesny i przyszłościowy terroryzm skupi się na atakowaniu celów morskich, w szczególności żeglugi handlowej i pasażerskiej. Użycie przez terrorystów środków ataku na morzu
wiąże się nie tylko z koniecznością usuwania skutków ataku, lecz pociąga za sobą
konieczność zamknięcia danego akwenu lub portu.
Ustawa z dnia 4 września 2008 r. o ochronie żeglugi i portów morskich1
nakłada na administrację polskich portów obowiązek postępowania w zakresie
zapewnienia bezpieczeństwa pracy portu zgodnie z wymaganiami określonymi
między innymi w Kodeksie ISPS. Punkt 14.2 Kodeksu zawiera wykaz działań nie-
1
Dz.U. z 2008 r. Nr 171, poz. 1055
63
Dariusz Szulc
zbędnych do zapewnienia ochrony obiektu portowego. Wśród nich wymieniono
między innymi monitorowanie obiektu portowego, włączając w to kotwicowiska
i miejsca cumowania.
Potencjalnym zamachom można przeciwdziałać czynnie, poprzez dokładne sprawdzanie jednostek i ich załóg, stały monitoring kotwicowisk i portów
morskich, lub biernie, dokonując kontroli dna morskiego. Przeciwdziałanie czynne polegałoby na wyeliminowaniu możliwości implementacji środka rażenia
przez terrorystów. Zdecydowanie prostszym i tańszym jest przeciwdziałanie
bierne, które sprowadza się do monitoringu dna morskiego i stwierdzenia, czy
działanie terrorystów miało miejsce, czy też nie (co schematycznie oddaje rysunek 1).
Rys.1. Koncepcja działania hydroakustycznego systemu do walki z zagrożeniem
terrorystycznym w portach
Cz. 1 - do portu weszła i zacumowała jednostka podejrzana – terrorystyczna (z elementami czerwonymi), z której dziobowej części pokładu stawiana
jest mina morska.
Cz. 2 - jednostka podejrzana odcumowała i wyszła z portu. Mina morska
stoi na dnie i oczekuje na swój cel (w zależności od zapalnika).
Cz. 3 - dno morskie w rejonie postoju jednostki podejrzanej poddawane
jest kontroli.
Cz. 4 -do portu wchodzi i zacumowuje jednostka zagrożona - cel ataku terrorystycznego (z elementami zielonymi). Jej bezpieczny postój jest zapewniony.
O niedostatecznym stopniu kontroli nad podwodną częścią akwenów portów może świadczyć zdarzenie z 22 grudnia 2008 roku. Z dna basenu portowego
Portu Gdynia wyłowiono wrak samochodu, wykryty przypadkowo kilka dni wcześniej za pomocą sonaru, użytego tam w innym celu. Na uwagę zasługuje jednak
fakt, że wrak ten leżał na dnie na głębokości 8 m przez około pół roku. Oznacza to,
64
że przez cały ten czas nie dostrzeżono w bezpośrednim sąsiedztwie nabrzeży portowych i cumującym tam jednostek nieznanego, leżącego na dnie basenu portowego obiektu o wymiarach ponad 4 m x 1,5 m x 1,3 m.
Prowadząc systematyczną kontrolę hydroakustyczną basenów portowych
opartą na cyfrowej analizie zarejestrowanych obrazów sonarowych możemy skutecznie walczyć z pojawiającym się niebezpieczeństwem ataków na statki stojące
w porcie. Podstawą takiej analizy jest porównanie zapisu dna zgromadzonego
w sonarowej bazie danych z zapisami wykonanymi podczas bieżącej kontroli.
SPRZĘT I WYPOSAŻENIE DO POMIARÓW W BASENIE PORTOWYM
Przed przystąpieniem do pomiarów przygotowano 3 imitatory obiektów
niebezpiecznych przedstawione poniżej.
a)
b)
c)
Rys 2. Imitatory celów a) Cel nr 1. – metalowa beczka duża b) Cel nr 2. – metalowa beczka
mała c) Cel nr 3 – metalowa rura
Do rejestracji obrazów sonarowych wykorzystano sonar stacjonarny
MS 1000 pracujący na częstotliwości 675 kHz (rys. 3).
65
Dariusz Szulc
Rys. 3. Sonar opuszczany MS 1000
PRZEPROWADZONE POMIARY I ANALIZA ZAREJESTROWANYCH OBRAZÓW
SONAROWYCH
Prace pomiarowe prowadzono w uzgodnieniu z Kapitanatem Portu Gdynia w rejonie Nabrzeża Polskiego. Dla potrzeb pomiarów w akwenie zatopiono
3 obiekty testowe. Prace realizowano w dobrych warunkach pogodowych (wiatr
E-1, brak falowania, prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie określona na
podstawie pomiaru rzeczywistego C=1475m/s). Pozycjonowanie sonaru za
pomocą odbiornika DGPS. W wyniku pomiarów otrzymano sonarową rejestrację
testowanych obiektów. Przykładowe, zarejestrowane obrazy wraz z ich analizą
prezentują kolejne rysunki.
a)
b)
Rys. 4. Detekcja małych obiektów na dnie basenu portowego
a) potencjalny obiekt niebezpieczny? b) wykryty obiekt to opona
66
`
C
el 1
C
el 2
Rys. 5. Zobrazowanie celu nr 1 i 2 dla zakresu pomiarowego do 40 m
C
el 1
C
el 3
Rys. 6. Zobrazowanie celu nr 1 i 3 dla zakresu pomiarowego do 20 m
67
Dariusz Szulc
PODSUMOWANIE
Wykorzystanie sonaru opuszczanego do zdobywania informacji o obiektach na dnie morza, wymaga od operatora przestrzegania szeregu zasad jego właściwego użycia.
Sonar opuszczany, aby zapewnić obraz o wymaganej rozdzielczości, nie
może poruszać się względem dna. Utrzymanie sonaru w pozycji stacjonarnej może być trudne na akwenie, na którym występują silne prądy. Wówczas operatorzy
stosują opuszczanie sonaru na statywie w postaci trójnogu. Takie rozwiązanie
zapewnia też ochronę głowicy sonaru przed ryzykiem uszkodzenia go o konstrukcje, które mogą znajdować się na dnie.
Ze względu na geometrię wiązki sonarowej, dla uzyskania odpowiadającego oczekiwaniom operatora obrazu sonarowego dna morskiego głowica powinna
znajdować się na wysokości nad dnem rzędu 1 m. Jednak sonar opuszczany, nazywany również sonarem skanującym, może być używany pozycji innej niż pionowa. Za jego pomocą, przy ustawieniu pod odpowiednim kątem do skanowanej
powierzchni, możliwe jest przeprowadzenie na przykład inspekcji konstrukcji
podwodnych czy też podwodnych elementów nabrzeży portowych.
Sonogram uzyskany za pomocą sonaru opuszczanego, ze względu na zastosowanie nie przemieszczającej się, obracającej się anteny przedstawia obszar
dna ograniczony okręgiem o promieniu równym zasięgowi sonaru umieszczonego
w jego środku. Możliwe jest określenie sektorów skanowania, wówczas antena
obraca się tylko w pewnych określonych przez operatora kątach.
Z uwagi na otrzymywanie sonogramów przedstawiających obraz akwenu
dookoła sonaru, w promieniu równym jego zasięgowi, ważny jest dobór punktów
opuszczania głowicy tak, aby przy znajomości geometrii wiązki fal akustycznych
zapewnić wymagane pokrycie obszaru dna akwenu. Przy sprawdzaniu określonej
szerokości pasa akwenu wzdłuż nabrzeża należy właściwie dobrać odległości
punktów na nabrzeżu, z których opuszczany będzie sonar
LITERATURA
[1] Kubiak K., Współczesne wyzwania bezpieczeństwa europejskiego.
Bernardinum, Gdańsk 2004;
[2] Bovio E., NATO Undersea Research Centre;
[3] Grabiec D., Auld S., Maritime hydrography in anti-terorist operations
in seaports, Materiały XIV Konferencji Naukowo-Technicznej „Rola nawigacji w zabezpieczeniu działalności ludzkiej na morzu”, CD-R, Gdynia
2004, s. 790-794, (18 listopada 2004 r.)
[4] Grabiec D., Szatan M., Wykorzystanie środków hydrograficznych w procesie badania stanu zanieczyszczenia środowiska morskiego, Materiały
68
VIII Konferencji Morskiej „Aspekty bezpieczeństwa nawodnego i podwodnego oraz lotów nad morzem”, Gdynia 2005, s.215-219.
[5] Grabiec D., Lokalizacja i zobrazowanie obiektów podwodnych za pomocą
hydrograficznych środków hydroakustycznych – wybrane problemy,„Polish Hyperbaric Resarch” 2005, nr 2(10), s. 15-22.
SONAR IMAGE ANALYZE FOR SAFETY OF SHIPS DOCKING
IN SEA HARBOURS
In the following article have been presented sonar images which were registered by stationary sonar MS 1000 type. The conducted analysis of registered images
proves the possibility of the small objects detection laid inside the harbour which
can posses a potential threat for moored ships.
Recenzent: dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW
69
70
Karolina Chorzewska
Improwizowane ładunki wybuchowe jako zagrożenie
dla jednostek w portach morskich
Scenariusz ataku terrorystycznego w postaci umieszczenia improwizowanego ładunku wybuchowego (IED) na dnie basenu portowego w pobliżu
cumującego statku można uznać za prawdopodobny.
Wykorzystanie do tego celu nie budzących podejrzeń zasobników
o rożnych kształtach, stanowić może zagrożenie infrastruktury portowej,
statku, załogi i ładunku. Uznając taki scenariusz za możliwy, należy udzielić
odpowiedzi na pytania: Jaka ilość materiału wybuchowego jest niezbędna do
uszkodzenia celu ataku? Jakie uszkodzenia a’priori wywoła określona ilość
materiału wybuchowego dla różnej wielkości jednostek pływających? W odpowiedzi, dokonano analizy różnych rodzajów pojemników. W dalszej części
na podstawie obliczeń strefy rażenia ładunku wybuchowego - dokonano oszacowania zakładanych uszkodzeń jednostki pływającej będącej celem ataku.
WSTĘP
Po zamachu na World Trade Centre z 11 września 2001 roku zaczęto zwracać szczególną uwagę na problem ochrony antyterrorystycznej
obiektów ważnych dla gospodarki państwa. Do takich obiektów zaliczyć
można porty morskie. Niedostateczne ich zabezpieczenie przed zagrożeniem terrorystycznym prowadzi do narażania na niebezpieczeństwo infrastruktury portowej, jednostek cumujących w porcie oraz ludzi i ładunku na
ich pokładach.
O obowiązku właściwej ochrony obiektów portowych mówi między
innymi „Międzynarodowy kodeks ochrony statku i obiektu portowego”,
zwany Kodeksem ISPS (ISPS Code - International Ship and Port Facility
Security Code), wprowadzony w 2002 roku jako poprawka do Konwencji
SOLAS. Administracje portów dostosowują swoje działania do wymogów
Kodeksu. Stosowane obecnie rozwiązania nie zapewniają jednak pełnej
ochrony przed każdego rodzaju zagrożeniem. Z pokładu zacumowanej jednostki możliwe byłoby na przykład umieszczenie obiektu niebezpiecznego
(zasobnika z materiałem wybuchowym) na dnie basenu portowego i zdetonowanie go, gdy w danym miejscu znajdzie się inna jednostka – cel ataku.
71
Karolina Chorzewska
Opracowanie systemu ochrony portu przed zagrożeniem, wynikającym z możliwości zatopienia w basenie portowym niebezpiecznego obiektu,
wymaga określenia cech, jakimi z dużym prawdopodobieństwem będą charakteryzować się te obiekty.
Do przeprowadzenia ataku terrorystycznego na jednostki zacumowane w porcie lub obiekty infrastruktury portowej z dużym prawdopodobieństwem zostałby wykorzystany improwizowany ładunek wybuchowy
(IED – Improvised Explosive Device) w postaci zasobnika wypełnionego
materiałem wybuchowym. Zasobnikiem może być dowolny pojemnik
(skrzynka, beczka, itp.), prosty, nierzucający się w oczy i niebudzący podejrzeń, powszechnie stosowany na statkach i w portach. Musi jednak być na
tyle pojemny, aby pomieścić wystarczającą do rażenia celu ilość materiału
wybuchowego.
Jakie przedmioty spełniają te warunki? Jaka ilość materiału wybuchowego jest niezbędna do rażenia celu, jakim w tym wypadku byłaby mała
lub duża jednostka pływająca? Aby odpowiedzieć na te pytania przeanalizowano możliwości wypełnienia kilku przykładowych pojemników materiałami wybuchowymi. Posłużono się materiałami wykorzystywanymi
w górnictwie i pracach minerskich..
Najpopularniejszym materiałem wybuchowym stosowanym w pracach minerskich jest trotyl (TNT). Dzięki swoim właściwościom (mała
wrażliwość na impulsy mechaniczne i wysoką temperaturę, praktyczna
nierozpuszczalność w wodzie) trotyl zapewnia bezpieczeństwo eksploatacji
dając możliwość uzyskania znacznej siły niszczącej. Jednocześnie jest materiałem stosunkowo łatwym do zdobycia. Do dalszej analizy wybrano więc
ten właśnie rodzaj ładunku wybuchowego.
CHARAKTERYSTYKA WYBRANYCH POJEMNIKÓW
Pomiary i obliczenia przeprowadzono dla dwóch z sześciu pojemników, wykonanych z różnych materiałów (rys.1). Pojemniki takie można
znaleźć na wyposażeniu każdej jednostki pływającej. Mają szerokie zastosowanie. Nie wzbudzają podejrzeń i są przydatne w różnego rodzaju pracach na pokładach jednostek i w porcie. Mogą jednak stać się zasobnikami
do przechowywania materiałów wybuchowych.
W pomiarach wykorzystano następujące pojemniki:
1. Skrzynia amunicyjna duża
72
Improwizowane ładunki wybuchowe jako zagrożenie dla jednostek w portach….
Rys. 1. Skrzynia amunicyjna duża
Tab. 1 Charakterystyka skrzyni amunicyjnej dużej.
Skrzynia amunicyjna duża
Wymiary
Rodzaj materiału
Rodzaj pokrycia
Pojemność
Masa ładunku materiału wybuchowego
zewnętrzne
wewnętrzne
24 cm x 26 cm x 102 cm
20 cm x 22 cm x 98 cm
drewno
farba olejna
0,043 m3
kostka 1000 g
60 kg
kostka 500 g
64 kg
kostka 200 g
100 kg
2. Skrzynia amunicyjna mała
Rys. 2. Skrzynia amunicyjna mała
73
Karolina Chorzewska
Tab. 2. Charakterystyka skrzyni amunicyjnej małej.
Skrzynia amunicyjna mała
Wymiary
zewnętrzne
35 cm x 40 cm x 13
cm
Rodzaj materiału
Rodzaj pokrycia
Pojemnośd
Masa ładunku materiału wybuchowego
wewnętrzne
drewno
0,008 m3
kostka 1000 g
kostka 500 g
kostka 200 g
31 cm x 30 cm x 9 cm
10 kg
15 kg
18 kg
WYZNACZENIE STREFY RAŻENIA ŁADUNKU MATERIAŁU WYBUCHOWEGO
Strefa rażenia ładunku materiału wybuchowego to obszar przestrzeni wodnej otaczającej ładunek, którego detonacja spowoduje co najmniej określony z góry rodzaj uszkodzeń jednostki znajdującej się w tym
obszarze. Przyjmując, że strefa rażenia wokół ładunku materiału wybuchowego ma kształt kulisty, wielkością ją opisującą jest promień rażenia. Najprostsze, ale najmniej dokładne wyznaczenie promienia rażenia umożliwia
następująca empiryczna zależność:
rb  3
qe
c mo
(1)
gdzie:
RBG [kg]:
qe – masa ekwiwalentna ładunku materiału wybuchowego
qe  k  q
(2)
gdzie:
k – współczynnik (ekwiwalent) trotylowy, dla trotylu k = 1
q – masa rzeczywista ładunku materiału wybuchowego [kg].
cmo – wartość oczekiwana tzw. współczynnika rażenia, oznaczającego względną gęstość energii wybuchu podwodnego.
74
Tab. 3. Wartości oczekiwane współczynnika rażenia w przypadku uszkodzeń okrętu
nawodnego [Litwin 1990].
Rodzaj uszkodzenia okrętu
nawodnego
Deformacja kadłuba i nieszczelności
Przebicie zewnętrznego poszycia
kadłuba
Przebicia pierwszej grodzi wzdłużnej
albo drugiego dna
Przebicia drugiej grodzi albo
trzeciego dna
i dalsze uszkodzenia wewnętrzne
Wartośd oczekiwana współczynnika cmo
przy wybuchu
poddennym
0,005
przy wybuchu
burtowym
0,09
0,009
0,50
0,09  0,25
2,0
6,5
4,6
Do obliczeń wykorzystano wartości współczynnika rażenia cmo odpowiadające wybuchom burtowym (rys. 8). Wybuch poddenny (pod stępką)
rzadko występuje w rzeczywistości.
Rozumiany w ten sposób promień rażenia jest zależny od masy ładunku wybuchowego i rodzaju uszkodzeń, jakie ten ładunek może spowodować przy detonacji pod kadłubem w odległości rb od niego.
Rys. 3. Położenie IED względem jednostki przy wybuchu poddennym i burtowym
Wyznaczając promień rażenia IED należy jednak uwzględnić fakt, że
detonacja ładunku nie następuje w nieograniczonej przestrzeni wodnej, ale
na dnie basenu portowego. Część energii wybuchu podwodnego ulegnie
więc odbiciu od dna, reszta przejdzie do gruntu jako denna fala ciśnieniowa.
75
Karolina Chorzewska
Wpływ dna morskiego uwzględnia się wprowadzając współczynnik denny
(kd), za pomocą którego korygowana jest masa ekwiwalentna ŁMW:
qe '  k d  qe
(3)
Wartość współczynnika dennego teoretycznie zawiera się w przedziale od 0 do 2. Zakres wartości od 0 do 1 dotyczy ładunków zagrzebanych
w dnie morskim (rys. 9). Współczynnik kd równy 2 oznacza dno absolutnie
twarde, wtedy odbiciu ulega połowa energii wybuchu. W praktyce takiego
dna nie rozpatruje się. Wartości współczynnika dennego w zależności od
rodzaju dna przedstawiono w tabeli 8.
Rys. 4. Przedziały wartości współczynnika dennego k d dla ładunku leżącego na dnie
i zagrzebanego w osadach dennych
Tab. 4 Wartości współczynnika dennego [Litwin 1990].
Rodzaj dna
Wartośd współczynnika dennego kd
Kamieniste
O średniej gęstości
(glina z piaskiem, żwir)
Lżejszy grunt (ił, piasek, grys)
1,8
1,6
1,4
Dla akwenów portowych przyjęto wartość współczynnika dennego
równą 1,6 i tak skorygowaną masę ekwiwalentną podstawiono do wzoru
76
(1). Wyniki obliczeń dla przykładowo wybranych mas ładunków wybuchowych w poszczególnych pojemnikach przedstawiono w tabelach 9 i 10.
Tab. 5. Wartości promienia rażenia dla przykładowych IED.
10 kg
Skrzynia amunicyjna mała
18 kg
100 kg
Rodzaj uszkodzenia okrętu nawodnego
60 kg
Skrzynia amunicyjna
duża
Deformacja kadłuba i nieszczelności
12,11 m
10,22 m
6,84 m
5,62 m
Przebicie zewnętrznego poszycia kadłuba
6,84 m
5,77 m
3,86 m
3,17 m
4,31 m
3,63 m
2,43 m
2,00 m
3,26 m
2,75 m
1,84 m
1,52 m
Przebicia pierwszej grodzi wzdłużnej albo
drugiego dna
Przebicia drugiej grodzi albo trzeciego dna
i dalsze uszkodzenia wewnętrzne
Głębokość w porcie w Gdyni w zależności od nabrzeża wynosi od
6,5 do 14 m. Największe jednostki, jakie cumują w porcie, mają zanurzenie
przekraczające 10 m. Masowiec „Alam Penting”, na pokład którego dokonano jednego z największych przeładunków w historii gdyńskiego portu, ma
zanurzenie maksymalne równe 14,1 m. Zanurzenia największych promów
pasażerskich, które regularnie wchodzą do Gdyni, przekraczają 8 m. Dla
wycieczkowca „Crown Princess”, który zabiera na pokład ponad 3000 pasażerów i 1000 członków załogi, ta wartość wynosi 8,5 m. W skrajnych przypadkach leżący na dnie ładunek materiału wybuchowego może więc zostać
zdetonowany w bardzo małej, rzędu nawet 1m, odległości od kadłuba jednostki.
Detonacja każdego z ładunków, dla których przeprowadzono obliczenia jest w stanie spowodować co najmniej deformację kadłuba. Większość z opisanych IED eksplodując na dnie basenu portowego pod kadłubem jednostki spowodowałaby przebicie zewnętrznego poszycia kadłuba
lub przebicie pierwszej grodzi wzdłużnej albo drugiego dna. Niektóre
z nich, przy małym zapasie wody pod stępką stojącej nad nimi jednostki, są
w stanie spowodować znaczne uszkodzenia wewnętrzne. Wielkości te
świadczą jednoznacznie o rozmiarze zagrożenia, jakie niesie możliwość
podłożenia na dnie basenu portowego zaimprowizowanego ładunku wybuchowego o opisanych wyżej rozmiarach i masie.
77
Karolina Chorzewska
BIBLIOGRAFIA
[1] Bekier P.: Optymalizacja procesu manewrowania okrętem nawodnym
w obronie przeciwtorpedowej, Gdynia 2008.
[2] Litwin W.: Okrętowe systemy broni podwodnej. Cześć I. Pola fizyczne.
AMW, Gdynia 1990.
[3] Powierża Z.: Wytrzymałość ogólna kadłuba okrętu przy niekontaktowych wybuchach podwodnych, „Zeszyty Naukowe” AMW, 108 A,
Gdynia 1991.
IMPROVISED EXPLOSIVE DEVICES AS A DANGER FOR
SHIPS IN A HARBOUR
The one of the possible scripts of the terroristic attack on moored ship
is to locate the improvised explosive device (IED) in ordinary container on the
port seabed near to it. In such situation the threat of the seaport infrastructure, mooring ships, ships’ crew and cargo is obvious.
Recognizing such script as probable, the authors are going to give answers for the important questions: Which quantity of the explosive charge in
the container is indispensable for ship damage? What a’priori damages will
trigger the definite quantity of the explosive charge for the various size of
ship? As the answer, the analysis of the various containers were executed. Further, on the basis of the calculations of the striking range of such IED, the
estimation of assumed damages for target ship was made.
78

analitical and simulation methods for determine

Transkrypt

Podobne dokumenty

Z życia 13 Z życia 13 - Zespół Szkół Ogólnokształcących Nr 28

DPD Dodatkowe zalecenia - elektronika i sprzęt RTV AGD

Rysunek architektoniczno