Глава 8. Навигационная аппаратура потребителя

Интерфейс системы подразумевает под собой перечень требований, описаний и технические стандарты сигналов, путем которых происходит передача информации от космического сегмента СНС  к сегменту потребителей. Как было отмечено ранее,  НКА используют для передачи информации шумоподобные фазоманипулированные сигналы, излучаемые на двух несущих частотах: L1  и L2. Навигационные измерения в двух диапазонах частот позволяют свести к минимуму ионосферные погрешности.

Интерфейс СНС беззапросный, т.е. НКА излучают радиосигналы на частотах L1 и L2 непрерывно, и любой  потребитель, находящийся в зоне радиовидимости НКА, в произвольный момент времени может получать от него навигационную «информацию» в пассивном режиме. Следовательно, СНС ГЛОНАСС и NAVSTAR являются пассивными системами навигации, и никоим образом не являются системами связи. Это означает, что потребитель только принимает сигналы НКА, и аппаратура потребителя ничего не передает.  Поэтому основой любой аппаратуры сегмента потребителей СНС  является приемное устройство с встроенным вычислителем навигационных задач. В общем случае приемное устройство  определяет следующие параметры:

Е – угол возвышения между плоскостью потребителя и направлением на НКА;

А – угол азимута между потребителем и направлением на НКА, отмеренный по часовой стрелке от направления на истинный (географический) Север;

Ψu – геодезическая широта потребителя (WGS-84 или П3-90);

λu - геодезическая долгота потребителя  (WGS- 84 или П3-90);

tс  - системное время, вычисляемое приемником.

Область применения СНС на сегодняшний день очень обширная, поэтому аппаратура потребителя, в которую входит приемное устройство как составная часть, в соответствии с областью применения  может иметь самые различные схемотехнические и конструктивные решения. В зависимости от задач возложенных на приемные устройства их можно разбить на две обширных группы: геодезической точности и навигационные устройства. Приемные устройства, предназначенные для решения геодезических задач, дают возможность привязки объектов вплоть до миллиметров. Такая точность данных устройств обуславливает их цену, которая в несколько десятков, а то и сотни раз выше, чем стоимость навигационных приемников - СНС навигаторов. Последние в зависимости от назначения делятся на четыре группы:

- персональные;

-автомобильные;

-морские;

- авиационные.

Схемотехнически СНС навигатор состоит из 2-х частей: СНС приемника и навигационного прибора. Приемная часть определяет общие, как указано выше, независимо от назначения навигатора параметры. Навигационный прибор на основе данных, выработанных приемником, решает навигационные задачи, свойственные только конкретной группе СНС навигаторов.

Свои особенности и принципиальные отличия имеют и СНС навигаторы, применяемые на судах, которые обусловлены спецификой выполняемых задач в практике судовождения. Например, применяемые в судовождении СНС навигаторы должны решать задачи планирования маршрута с составлением графика и расписания плавания, с указанием для каждого участка маршрута курса, длины, расхода топлива, время плавания, время прибытия ит.д., что не требуется для СНС навигаторов иного назначения.

Современные морские СНС навигаторы позволяют судоводителю наиболее оперативно по сравнению с другими навигационными средствами выполнить его главную задачу – провести судно из одного пункта в другой наивыгоднейшим путем, в кратчайший срок, безопасно для людей, груза и самого судна.

Как правило, в настоящее время  большинство СНС навигаторов характеризуется наличием в них программ с электронными картами, которые существенно расширяют возможности приборов, добавляя им функции картплоттеров. В морских СНС навигаторах применяются специализированные навигационные карты, которые имеют присущие только морской навигации специальные объекты и условные знаки, например:

-      навигационные опасности в виде подводных скал, рифов, затонувших судов, участков малых глубин и т.д.;

-      средства навигационного обеспечения:: маяки, буи, вехи, огни, знаки и т.д.;         

-      фарватеры, точечные отметки глубин, изобаты, данные о приливах, границы

разрешенных и запрещенных районов плавания и т.д.;

-      характер морского дна и многое другое

Все эти объекты не только отображаются на экране навигатора, но и учитываются при выработке безопасного курса и навигационных предупреждений.

Оснащенные электронными картами, морские СНС навигаторы решают все основные задачи навигации:

-      определение координат текущего места судна;

-      отображение электронных морских карт;

-      отображение на карте текущего места судна и его линии курса;

-      планирование маршрута и его предварительная прокладка;

-      автоматическое вычисление безопасных курсов;

-      предупреждение судоводителя о навигационных опасностях;

-      возможность непрерывного анализа данных электронной карты по курсу своего судна.

Исходя из специфики задач морской навигации, сформулируем конструктивные, функциональные и технические требования, которым должны удовлетворять СНС навигаторы, используемые в судовождении.

8.1.   Конструктивные требования

8.1.1. В отличие от персональных, автомобильных и авиационных навигаторов морские навигаторы не регламентированы весогабаритными параметрами. Одно из первостепенных значений имеет конструкция морского СНС навигатора, которая должна иметь только стационарное исполнение с обеспечением её надежного крепления к конструкциям судна.

8.1.2. Вторым важным фактором является герметичность конструкции и повышенные требования к её надежности при воздействии вибрации и ударных  нагрузок, которые испытывает судно, оказавшись в плохих погодных и штормовых условиях. Как правило, морской СНС навигатор должен иметь водонепроницаемый корпус, защитную крышку и соответствовать стандарту влагонепроницаемости IPX7.

8.1.3. Поскольку, судно является сосредоточением большого количества радиоэлектронных и электротехнических средств различного назначения, в конструкции СНС навигатора и при его установке на судне должны быть выполнены требования электромагнитной совместимости (ЭМС), обеспечивающие его нормальную работу при воздействии радиочастотных и искровых помех, а также электромагнитных наводок со стороны силового электрооборудования. Естественно, что главным источником помех в работе СНС навигатора на судне является радиопередающая аппаратура, поэтому наиболее жесткие требования ЭМС связаны с размещением  и монтажом антенно-фидерных устройств.

8.1.4. Чтобы обеспечить надежный и устойчивый прием радиосигналов от НКА судовой СНС навигатор должен быть обязательно подключен к выносной антенне. В свою очередь, учитывая большую протяженность приемного фидера, чтобы компенсировать  потери в коаксиальном кабеле, антенна СНС навигатора имеет совмещенный предварительный усилитель радиочастоты, который должен быть надежно экранирован. Таким образом, конструкция антенного блока должна обеспечивать непрерывность экранировки всей схемы СНС навигатора.

8.1.5. Поскольку, антенный блок должен размещаться вне помещений судна, конструкция такого блока, выполненного из радиопрозрачного материала, должна иметь герметичное исполнение. Антенный блок должен быть устойчив к воздействию солнечной радиации, атмосферных конденсированных осадков (росы и внутреннего обледенения), соляного (морского) тумана, плесени и коррозии. Как и   к конструкции основного блока, к антенному блоку при его эксплуатации в морских условиях предъявляются повышенные требования по надежности к вибрации,  ударным и ветровым нагрузкам.

8.1.6. С целью обеспечения приема радиосигналов от НКА со всех направлений, антенный блок должен быть установлен в таком месте, чтобы исключалось его затенение элементами конструкции судна и другими предметами.

Для уменьшения помех от радиоустройств, работающих в режиме излучения антенный блок должен устанавливаться, возможно, дальше от антенн этих радиоустройств, особенно от антенн спутниковых терминалов INMARSAT, IRIDIUM, GLOBAL STAR и др., работающих в том же частотном диапазоне (1…2 ГГц). Антенный блок СНС навигатора должен быть разнесен по вертикали с антеннами указанных терминалов, а также, по возможности, и антенн УКВ радиостанций на 2 метра; по горизонтали расстояние должно быть не менее 4-х метров. Антенный блок не должен попадать в сферу облучения антенн радиолокационных станций.

8.1.7. С учетом величины затухания сигнала по трассе фидера, коэффициента передачи антенны и усиления, встроенного в антенный блок усилителя,  длина коаксиального кабеля не должна превышать 30 метров при затухании в кабеле в диапазоне частот от 1565 до 1614 МГц не более 15 дБ. Чтобы обеспечить согласованный режим работы всего приемного тракта, коаксиальный кабель выбирается с волновым сопротивлением ρ=50 ± 5 Ом. Коаксиальный кабель должен прокладываться отдельно от силовых кабелей на расстоянии не менее 200 мм, или в стальной трубе.

8.1.8. Требования к устройству отображения информации (дисплею).

Чтобы положение судна и навигационная обстановка могли легко просматриваться на некотором расстоянии от прибора, размеры дисплея должны быть достаточно большими. У современных судовых СНС навигаторов размеры экранов составляют не менее 5,6” по диагонали. Например некоторые модели, изготавливаемые в настоящее время наиболее продвинутой фирмой Garmin в сфере разработки и производства приборов спутниковой навигации выпускаются с размером экрана 12.1” ( Модели GPS map серии 4000 и 5000).

Дисплей СНС картплоттера должен быть обязательно цветной, т.к. отображение на монохромном экране электронных карт теряет всякий смысл.

Учитывая тот факт, что СНС картплоттеры обязательно должны подключаться к эхолоту (многие модели СНС навигаторов имеют встроенный измеритель глубин – сонар), интерфейс дисплея должен быть, как минимум, 2-х оконный, чтобы имелась возможность отображения на нем сразу двух экранных страниц: например карты и профиля глубин, карты и цифровых данных, текущего маршрута и страницы путевой точки и т.д.

Однако, целесообразность выбора СНС навигаторов с функциями картплоттера определяется в целом составом навигационных средств конкретного судна, и в случае, когда, например, на борту установлена сертифицированная электронная картографическая навигационно-информационная система (ЭКНИС- ECDIS), являющаяся интегрированным средством навигации,  установка СНС с функциями картплоттера может быть не столь необходимой.

8.1.9. Все судовые СНС навигаторы помимо автономного питания от встроенного в прибор аккумулятора должны иметь возможность подключения к бортовой сети через вторичный источник питания 12…36 вольт, либо непосредственно, используя входящий в комплект адаптер напряжения. Экономичность энергопотребления, а также габариты и вес, как указывалось ранее, для судовых СНС навигаторов принципиального значения не имеют, поскольку нет по определению СНС навигаторов, вес которых был бы например более 5кГ, а энергопотребление более 20 Вт (без встроенного эхолота).

 

8.2.   Функциональные требования

Функциональные возможности морского СНС навигатора должны соответствовать решаемым им задачам. Исходя из этого, сформулируем его основные функциональные особенности с учетом того факта, что большинство современных профессиональных морских СНС навигаторов с функциями картплоттера.  

8.2.1. Сетевая архитектура. Поскольку на современных судах все навигационные средства, как правило, интегрированы в навигационные комплекс, то схема СНС навигатора должна предусматривать его возможность  подключения к локальной сети на базе технологии Ethernet согласно стандарту NMEA 0183 или NMEA 2000, чтобы была возможность подключения эхолота, лага, РЛС./ САРП, автоматической идентификационной системы (АИС) и других навигационных средств.

8.2.2. Отображение на электронной карте режимов движения должно быть истинным и относительным. В режиме истинного движения изображение карты статично, а отметка судна перемещается. Режим удобен для просмотра навигационной ситуации и планирования маршрута. В режиме относительного движения отметка судна неподвижна, а на дисплее смещается карта. Этот режим применяется для анализа и оценки ситуации впереди судна, например для контроля его положения на фарватере и в случае расхождения со встречными судами.

8.2.3.Электронные карты. В настоящее время абсолютное большинство фирм – изготовителей, спутниковых средств навигации (а их в мире более двухсот) выпускают на рынок свою продукцию с встроенными электронными картами.  Кстати, можно также утверждать, что абсолютное большинство встроенных  карт не соответствует стандартам международной картографической ассоциации и требованиям международного гидрографического общества. Поэтому принципиально важно знать насколько соответствуют встроенные  электронные карты основным задачам навигации и в какой мере они способны обеспечить выполнение этих задач. Кроме базовых электронных карт СНС навигатор должен располагать более детальными специализированными картами, предназначенными для целей судовождения.

Следует учитывать и то обстоятельство, что электронные базовые карты, выпускаемые фирмами – изготовителями, не взаимозаменяемы. Судоводитель должен также знать, карты каких фирм имеют достаточно точную и полноценную навигационную информацию, которой он сможет доверять при прохождении маршрута. Это, прежде всего, электронные навигационные карты  Blue Chart, Blue Chart g2 Vision Garmin, dKart Navigator фирмы МОРИНТЕХ,  TX-97 и S-57 компании ТРАНЗАС, CM-93/3 компании C-MAP Group.

Однако, пока международно-признанным юридическим статусом обладают только карты формата S-57 или карты конвертируемые в этот формат. Международный стандарт №1174 на формат S-57 разработан международной географической организацией (IHO) и предназначен для обмена официальными картографическими данными между гидрографическими организациями. Последнее издание этого стандарта имеет версию S-57 v.3.Карты в формате S-57 не предназначены для свободной коммерческой продажи. Являясь стандартом обмена гидрографическими данными, S-57 не оптимален при прямом использовании в судовых навигационных системах. Поэтому эти карты по договорам поступают из Гидрографий в компании-распространители данных S-57 и затем преобразуются в закрытый (защищенный) внутренний формат (SENC- System Electronic Navigation Charts)  компаний – разработчиков электронных картографических систем и СНС навигаторов. Иными словами, формат S-57 конвертируется в формат SENC, который воспринимает навигационная система. Таким образом, карты формата SENC имеют официальный статус, как и карты формата S-57. Перевод карт из формата S-57 в формат SENC в соответствии с поправкой Международного гидрографического общества (МГО) к параграфу 3.3 и новой технической резолюции А3.11 МГО осуществляет фирма ТРАНЗАС, имеющая соответствующий сертификат на право конвертации и распространения карт формата S-57 в формат SENC.

Векторные электронные карты формата СМ-93/3 разработанные компанией С-МАР Group обеспечивают покрытие большей части мирового океана и являются de facto стандартом для коммерческого применения в навигации во всем мире. Эти карты по своей структуре полностью эквивалентны данным S-57 версии 3, однако, не имеют официального статуса. Формат СМ-93/3 применен также в системе dKart Navigator фирмы МОРИНТЕХ.

Карты формата ТХ-97 разработаны для навигационных систем и СНС навигаторов, выпускаемых компанией ТРАНЗАС. Коллекция насчитывает более 10000 карт масштабом от 1:100 до 1:200 000 000, покрывающих весь Мировой океан. Карты ТХ-97 одобрены Главным Управлением Навигации и Океанографии (ГУНиО) Министерства обороны России, но официального международного юридического статуса не имеют.

Карты Blue Chart фирмы Garmin водоемов мира по фактическому объему данных аналогичны ТРАНЗАС, но в отличие от последних, они не сертифицированы для профессионального судовождения. Одним из достоинств карт Blue Chart можно считать их совмещение с аэро- и спутниковыми фотоснимками. Особенно они удобны и наглядны в акваториях портов и плавании в узкостях. Версия Blue Chart g2 Vision позволяет отображать карты в трехмерной перспективе, приближая изображение к реальному виду. В дополнение к спутниковым изображениям  вариант g2 Vision включает в себя карты 3D с перспективой над ватерлинией и подводные карты 3D с подводной перспективой линий изобат, т.е. карты g2 Vision имеют режим изображения «над водой» и «под водой». Кроме того, эти карты позволяют создавать автоматически рассчитываемые маршруты к выбранному пункту назначения.

В заключение целесообразно уточнить, что и в случае имеемого на борту судна СНС навигатора с встроенными сертифицированными картами S-57 v.3 (SENC) международные требования не освобождают судоводителя от необходимости иметь на борту судна полный комплект бумажных карт, обладающих юридическим статусом. Судоводитель освобождается от необходимости иметь бумажные карты, когда на судне установлены две (основная и резервная) системы ECDIS. В этом случае функции резервной системы может выполнять сертифицированный СНС навигатор (картплоттер). Но это очень дорогое удовольствие: карты формата S-57 v.3 намного дороже не сертифицированных карт с теми же возможностями, выпускаемых вышеуказанными и другими ведущими фирмами.

8.2.4. Поскольку судно может выполнять различные маршруты в различные районы Мирового океана то целесообразно иметь более детальные карты конкретного маршрута или какого либо района плавания. В этом случае не обязательно, чтобы детальные карты были загружены в основную память навигатора, достаточно использовать специальные картриджи или флэш-карты, например формата SD (Secure Digital) или Compact Flash, как наиболее распространенные в настоящее время

8.2.5. Должна предусматриваться возможность загрузки в СНС навигатор электронных карт, например от судового компьютера, подключенного к сети Интернет, или от других внешних носителей.  

8.2.6.Количество информации на морских электронных картах столь велико, что для её хранения и отображения необходимы СНС навигаторы с достаточно большим объёмом памяти. При этом в целях гарантированного сохранения данных предпочтительнее навигаторы, имеющие энергонезависимую память. Рекомендуемый объём памяти – 512 Мбайт и более.

8.2.7. Разумеется, что морские навигаторы должны иметь морские единицы измерения: морские мили, узлы и т.д.

8.2.9. Все морские СНС навигаторы должны иметь возможность подключения к приемнику дифференциальных поправок, или  иметь  встроенный приемник, способный принимать сигналы от региональных подсистем WAAS, EGNOS, MSAS и др., а также иметь ввод дифференциальных поправок от локальных ККС через наземные средства связи.  

8.2.10. Функция Человек за бортом (Man Over Board) обязательна для морских СНС навигаторов. Как правило, морские СНС навигаторы должны иметь для её быстрого вызова отдельную кнопку МОВ. При нажатии на нее прибор запоминает место происшествия как путевую точку под названием МОВ и мгновенно включает режим навигации на эту точку, показывая на карте новый курс. Зачем? Упавшего человека в волнах видно в лучшем случае за несколько десятков метров, а то и меньше. Если ему не будет оказана помощь, шансы спастись — даже для хорошего пловца - в открытом море ничтожны. Быстро наступает переохлаждение, потеря сознания и смерть. Жизнь упавшего зависит от того, как точно и быстро судно сможет  вернуться к точке падения человека.

8.2.11. Сигнализация. В морских навигаторах увеличено число событий со звуковой сигнализацией и типовыми сообщениями:

-      смещение с якорной стоянки (снос с якоря);

-      прибытие в пункт назначения;

-      отклонение от курса;

-      приближение к путевой точке;

-      вход в опасную зону, определенную пользователем в виде точки Proximity;

-      будильник;

-      температура воды;

-      обнаружение рыбы;

-      мелководье;

-      большие глубины

Последние четыре типа сигнализации вырабатываются по данным эхолота.

8.2.12. Наличие индикации времени, отклонения от курса(CDI – Course Deviation Indicator), индикация величины горизонтального фактора точности( HDOP) с возможностью выбора требуемой точности.

8.2.13. Количество полей экрана в режиме страницы « путевой компьютер» должно быть достаточным, чтобы иметь возможность одновременного вывода информации и данных о тех навигационных параметрах, которые необходимы в реальном масштабе времени  ( как правило,8…10 полей).

. 8.2.14.Наличие встроенной базы данных о путевых точках, описание портов, гаваней и т.д. обязательно.

 8.3.       Технические характеристики

Технические характеристики морских СНС навигаторов определяют их эксплуатационные возможности. Укажем основные технические характеристики

-      картографическая база данных;

-      количество путевых точек;

-      количество маршрутов;

-      - емкость путевого журнала:

-      режимы навигации;

-      размер экрана и его разрешающая способность;

-      интерфейс;

-      путевые вычисления;

-      объём встроенной памяти и поддержка флэш-карт;

-      абочие характеристики приемного устройства;

-      геодезические системы.

Точки, создаваемые штурманом при формировании маршрута, призванные отмечать характерные места на пути следования судна называются путевыми. Путевая; точка  представляет собой видимую на карте отметку, которая создается штурманом вручную. Их можно нанести .как на линию пути, так и в любом месте карты, Расставляя по мере надобности путевые точки и обозначая их подходящими названиями, символами или номерами, штурман создает индивидуальный путь маршрута. Достоинства такого метода несомненны; поскольку к любой точке (в том числе и начальной) можно вновь вернуться и затем посещать многократно, что особенно важно, например, при следовании по обратному пути или при составлении нового маршрута.

Главная ценность этой функции заключается в том, что штурман в момент создания отметки автоматически записывает географические координаты этого места. Путевую точку всегда можно показать на экране дисплея, определить направление и расстояние до нее от текущего места. Также штурман фиксирует и момент; когда была сделана отметка. Совокупность этих данных представляет график движения судна. Следовательно, количество путевых точек, чтобы обеспечить наиболее полное информационное описание планируемых маршрутов, должно быть достаточно большим. В современных морских СНС навигаторах количество путевых точек, заносимых в память, достигает 4000 точек и более.

Маршрут – это, по сути, последовательность путевых точек, которая указывает судоводителю путь до места назначения. Маршрут, как известно, изображается в виде прямолинейных отрезков пути. Графический план дополняется расчетами расстояний как отдельных участков, так и всего маршрута. При назначении скорости движения можно получить и временной график пути. Конечно, все это общеизвестно и не нам учить штурмана как прокладывать маршруты. Мы хотим подчеркнуть удобства морских СНС навигаторов, которые могут автоматически прокладывать и рассчитывать маршруты при наличии в них карт с так называемой маршрутизацией. В этом случае судоводителю достаточно указать начальный и конечный пункты назначения. По оценкам экспертов, автоматически созданный маршрут в большинстве случаев является превосходным, и его они относят к категории «который бы сами составили». Как правило, возможности современных морских навигаторов рассчитаны на 20 маршрутов и более.

Совокупность всех точек траекторий движения судна, сохраненных в памяти СНС навигатора, называется путевым журналом (Track log). Его основная характеристика – количество сохраняемых точек. Емкость путевого журнала современных морских навигаторов составляет порядка 10000 точек.

Как правило, в морских СНС навигаторах предусмотрены следующие режимы навигации:

-      на заданную точку (GO TO);

-      по обратному пути (TRAC BACK)

-      по созданному маршруту (ROUTE).

       Режим навигации на заданную точку означает прямое движение к заданной точке (в проекции Меркатора) и имеет несколько равноценных названий: Идти К, Прямой маршрут, GО ТО.

Режим навигации по обратному пути позволяет двигаться в точности по пройденному пути в обратном направлении. Он имеет и другие эквивалентные названия: возвращение, TRAC BACK.

Навигация по маршруту ( ROUTE). Для навигации по маршруту надо, конечно, его создать, что возможно либо в ручном режиме, либо при загруженных картах с маршрутизацией и в режиме автопрокладки. Созданный вручную маршрут представляет собой последовательность маршрутных точек (они могут быть и путевыми), где перемещение между двумя соседними осуществляется прямолинейно: Движение по маршруту удобнее, чем режим навигации на заданную точку, поскольку обеспечивает прохождение всех намеченных точек без их ручного выбора. Навигатор согласно маршруту автоматически будет выбирать следующую по порядку точку, указывая необходимый курс движения и расстояние от текущего места. (В целом маршрут ROUTE может быть спланирован по дуге большого круга).

Экраны СНС навигаторов характеризуются: а) разрешающей способностью, определяемой количеством пикселей на дюйм площади (обычно от 80 до 160 пиксель/дюйм), б) размером сторон в сантиметрах или в пикселях (здесь для судовых навигаторов критерий один – чем больше, тем лучше, с обеспечением , по возможности, требуемой разрешающей способности), в) типом экрана ( обычно зто ЖК- дисплеи, выполненные по трансрефлексивной технологии – TFT с цветовой гаммой, как правило, на 256 цветов).

Интерфейс морских СНС навигаторов бинарный: по протоколу IEC 61 162-1 (NMEA-0183) для сопряжения с внешними приборами и системами судна, в том числе по  сети Ethernet, и протоколу RTCM SC -104 ( Radio Technical Commission for Maritime Services ) для приема, учета и коррекции информации при работе в дифференциальном режиме (DGNSS).

Путевой компьютер морского навигатора выполняет все необходимые вычисления: текущую скорость, среднюю скорость движения, среднюю скорость в пути (с учетом стоянок), обнуление счетчика максимальной скорости, общее время в пути, пройденный путь, время стоянок, время перемещения.

⇐ Предыдущая35363738394041424344Следующая ⇒

Поделиться: