Pobierz

ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
E X P L O-S H I P 2 0 0 6
Andrzej Burzyński
Analiza dokładności wskazań obiektów nawodnych
Słowa kluczowe: dokładność, radar, obiekty nawodne
W artykule analizowano dokładności wskazań obiektów znajdujących się na wodzie.
Badania wybranych obiektów prowadzono wykorzystując zespół radarów Centrum VTS
Zatoka Gdańska i porównywano je z rzeczywistymi pozycjami odczytanymi za pomocą
DGPS.
Accuracy Analysis of Sea Objects
Key words: accuracy, radar, sea objects
In his article the author analyses the accuracy of objects which are situated on the
sea. Research on selected objects has been carried out in the Vessel Traffic Service covering the Gulf of Gdansk. The author compares positions of those objects on the basis of
VTS and DGPS readings.
29
Andrzej Burzyński
Wstęp
Statystyki ostatnich lat wykazują wzrost natężenia ruchu na obszarze Morza
Bałtyckiego. Raporty z polskich portów wskazują na coraz większą liczbę zawijających statków oraz rosnące ilości przeładowanego towaru. Pojawiają się jednostki o coraz większym tonażu, a tym samym dłuższe i szersze. Bałtyk jest
obszarem zamkniętym, co przy zwiększającej się liczbie przebywających na nim
obiektów pływających, powoduje większe prawdopodobieństwo wzajemnych
spotkań, jak również kolizji.
W roku 2005 Bałtyk został zakwalifikowany przez Międzynarodową Organizację Morską (IMO) do grupy szczególnie wrażliwych obszarów morskich
(Particulary Sensitive Sea Area – PSSA). Oznacza to, że administracje państw
muszą dołożyć szczególnych starań ukierunkowanych na bezpieczeństwo środowiska naturalnego.
Zagadnienie bezpieczeństwa posiada wiele aspektów. Jednym z nich jest
dokładna znajomość położenia obiektów stałych, zakotwiczonych na morzu, jak
i znajdujących się na nim w ruchu. Jednostki pływające oraz pozostałe obiekty
znajdujące się na morzu obserwowane są przez operatorów na różne sposoby.
Jednym z nich, który pozwala na wykrycie i śledzenie obiektów w różnych warunkach atmosferycznych jest radar/ARPA [4]. Dodatkowo większość jednostek
pływających posiada zainstalowane na pokładzie urządzenie do automatycznej
identyfikacji statków (AIS) [5]. Umożliwia ono zidentyfikowanie jednostki poprzez jej nazwę, sygnał wywoławczy, numer MMSI, IMO oraz odczytanie jej
aktualnej pozycji. Informacje te wysyłane są przez urządzenie w stałych określonych odstępach czasu i odbierane przez wszystkie odbiorniki AIS znajdujące
się w zasięgu jego pracy.
Zasięgi obu urządzeń, radaru/ARPA i AIS są porównywalne i wystarczające, aby z odległości 24 mil morskich odebrać i zobaczyć echo statku na radarze
oraz odczytać informacje wysyłane przez niego na AIS.
Należy jednak pamiętać, że oba wyżej wymienione urządzenia pracują wykorzystując dwa różne algorytmy identyfikacyjne. Radar/ARPA sam wysyła
i odbiera sygnał, który służy mu do identyfikacji echa. AIS tylko wysyła informacje, które otrzymuje z różnych źródeł zewnętrznych. Tymi źródłami są operator, który wprowadza nazwę statku, sygnał wywoławczy oraz czujniki, np. log
czy urządzenie do automatycznego określania pozycji (GNSS, obecnie najczęściej GPS). Informacje te nie muszą być spójne. Autor w pracy [1] przedstawił
różnice zarejestrowane przez radar i AIS w pozycji i kursie jednostki płynącej.
Z pracy tej wynika, jak istotna jest znajomość i świadomość wielkości powyższych różnic. Nabiera to szczególnego znaczenia w czasie, gdy coraz więcej
statków posiada oba urządzenia i operator obserwujący echo ma dylemat, która
wartość jest prawdziwa dla danego obiektu.
30
Analiza dokładności wskazań obiektów nawodnych
Nowe zarządzenia IMO nakazują administracjom państw wyznaczenie obszarów schronienia. Mogą to być specjalne miejsca w porcie, ale też mogą być
to obszary wyznaczone na morzu. Obszar schronienia to miejsce osłonięte, bezpieczne, chroniące jednostkę w czasie np. silnych wiatrów czy w sytuacji jakiejś
awarii. Powyższe przykłady nie wyczerpują oczywiście możliwości wykorzystania obszarów schronienia. Jednak końcowym efektem przebywania jednostki
w takim obszarze może być zanieczyszczenie środowiska naturalnego a nawet
katastrofa ekologiczna.
Jednym z warunków uniknięcia niekorzystnych skutków zanieczyszczenia
jest dokładna znajomość położenia niebezpiecznego obiektu oraz obiektów
znajdujących się w najbliższym jego otoczeniu.
Autor w swojej pracy określa błąd wskazań obiektów stałych, zarejestrowanych przez zespół radarów systemu VTS Zatoka Gdańska.
1. Miejsce prowadzenia badań
Badania przeprowadzono w Centrum Nadzoru Ruchu VTS Zatoka Gdańska,
zwanym dalej Centrum, na przełomie roku 2005/2006. Centrum to znajduje się
w Gdyni i nadzoruje ruch statków wchodzących i wychodzących z obszaru
Zatoki Gdańskiej. Obejmuje swym zasięgiem porty morskie Gdynia i Gdańsk
(rys. 1).
Centrum powstało w celu zwiększenia bezpieczeństwa żeglugi oraz zdolności reagowania w niebezpieczeństwie na wodach Zatoki Gdańskiej. W ramach
funkcjonowania systemu operatorzy mogą przekazywać statkom zalecenia,
ostrzeżenia i instrukcje w celu określonego zachowania się. Powyższa interwencja nastąpi, jeżeli parametry ruchu czy też pozycja statku będą zagrażały bezpieczeństwu żeglugi lub będą naruszały obowiązujące w danym państwie przepisy
portowe oraz w przypadku, gdy będzie to konieczne ze względu na właściwą
organizację ruchu morskiego [3].
System nadzoru ruchu jest serwisem identyfikującym i śledzącym statki na
obszarze działania VTS Zatoka Gdańska, który jest oparty na radarach brzegowych rozmieszczonych w pięciu miejscach:
–
–
–
–
–
Latarnia morska Hel,
Kapitanat Portu Gdynia,
Kapitanat Portu Gdańsk,
Górki Zachodnie,
Latarnia morska Krynica Morska.
Informacje z ww. pięciu radarów brzegowych przekazywane są do Centrum
w Gdyni za pośrednictwem linii radiowych lub kabla światłowodowego. Linie
radiowe łączą stacje: Hel z Gdynią, Górki Zachodnie z Gdańskiem oraz Krynicę
31
Andrzej Burzyński
z Gdańskiem poprzez Stegnę. Zakopany w dnie morskim kabel światłowodowy
łączy stację Gdynia z Gdańskiem.
Rys. 1. System nadzoru ruchu statków VTS Zatoka Gdańska [3]
Fig. 1. Vessel Traffic Services covering the Gulf of Gdansk
Uzyskane w ten sposób dane są poddawane obróbce komputerowej przez
program holenderskiej firmy HITT. Końcowy efekt jego pracy wyświetlany jest
na monitorach operatorskich Centrum w Gdyni.
Obiekt badań
W czasie badań dokonano rejestracji obiektów stałych i ruchomych, znajdujących się na Zatoce Gdańskiej. Pozycję tych obiektów otrzymano z Inspektoratu Oznakowania Nawigacyjnego Urzędu Morskiego w Gdyni, zwanego dalej
ION.
Badania prowadzone były na przełomie roku 2005/2006. Zarejestrowane
temperatury powietrza, wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Gdyni, wynosiły od +2,5°C do –8,5°C. Temperatura wody morskiej wynosiła od
+1,0°C do +0,0°C. Stwierdzono istnienie refrakcji ujemnej – subrefrakcji.
W czasie badań zaobserwowano przelotne, lokalne opady śniegu.
Jednym z obiektów badań była stawa P-5, umocowana na stałe do dna,
przez co wpływ falowania, kierunku wiejącego wiatru, kierunku przemieszczania się prądu nie zmienia jej pozycji. Tym samym stawa ta pozwala na precyzyjne określenie błędu wskazań pozycji zarejestrowanych przez zespół radarów
32
Analiza dokładności wskazań obiektów nawodnych
Centrum. Tak dobrany obiekt może być wzorcem do określania błędu pozycji
pozostałych obiektów.
Stawa P-5 umieszczona jest na pozycji (wg ION, w odwzorowaniu WGS84):
φ =
λ =
54° 24,905΄ N
018° 47,993΄ E
Wyniki pomiarów
Analizie poddano wyniki pomiarów dokonanych w dniu 23 stycznia 2006
roku w godzinach 0800 – 1100.
Rysunek 2 przedstawia pozycje stawy P-5 na podstawie wybranych 500
pomiarów, w odstępach co 3 sekundy, we współrzędnych geograficznych, zarejestrowaną przez zespół radarów Centrum.
Rysunek 3 określa położenie stawy P-5, względem pozycji podanej przez
ION. Na rysunku tym punktem 0,0 jest pozycja podana przez ION. Oś pozioma
dodatnia przedstawia wartość przesunięcia wskazań przez zespół radarów Centrum w kierunku wschodnim, a oś pionowa ujemna, to wartość przesunięcia tych
wskazań w kierunku południowym.
24,906
[minuty]
zespół radarów
szerokość geograficzna
Pozycja stawy P-5
ION
24,905
Średnia
średnia
54°N
24,904
24,903
24,902
24,901
47,99
47,995
48
długość geograficzna
48,005
018°E
48,01
[minuty]
Rys. 2. Pozycja stawy P-5
Fig. 2. Position of beacon P-5
Rysunek 4 przedstawia różnicę między długością geograficzną zarejestrowaną przez zespół radarów Centrum a podaną przez ION. Dodatnia oś pionowa
oznacza przesunięcie w kierunku wschodnim pomiarów zarejestrowanych przez
Centrum w stosunku do wartości ION.
33
Andrzej Burzyński
0
[m]
0
2
4
6
8
10
12
14
16[ m ]
18
przesunięcie poziome
przesunięcie pionowe
-2
Położenie stawy P-5
-4
-6
zespół radarów
położenie stawy P-5
-8
Rys. 3. Położenie stawy P-5
Fig. 3. Orientation of beacon P-5
Wartość średnia tego rozkładu, obliczona ze wzoru [2]:
WZ 
1 n
WZ i
n i n
(1)
gdzie:
WZi – odległość między długościami geograficznymi badanej obserwacji,
n
– liczba obserwacji (tu: wybrane 500 pomiarów).
Wartość ta wynosi 11,90 m.
Odchylenie standardowe dla tego rozkładu obliczone ze wzoru:

1 n
SW Z    WZ i  WZ
 n i 1
 
2

(2)
wynosi 0,89 m.
Podwójna wartość SWZ = 1,78 m oznacza, że 95,5% otrzymanych wyników
mieści się w tym obszarze.
Współczynnik dyspersji pozwalający ocenić natężenie zróżnicowania badanego rozkładu obliczony ze wzoru:
V SW Z  
wynosi 7,46.
34
SW Z
WZ
(3)
Analiza dokładności wskazań obiektów nawodnych
odległość
18
[m]
16
14
12
odległość
10
8
1
51
101
151
201
251
301
liczba obserwacji
351
401
451
Rys. 4. Różnica pozycji po długości geograficznej zarejestrowanych przez zespół radarów
Centrum i podanych przez ION [m]
Fig. 4. Longitude difference registered by VTS radars and given by ION [m]
liczba obserwacji
-1
[m]
1
51
101
151
201
251
301
351
401
451
-2
odległość
-3
-4
-5
-6
odległość
-7
Rys. 5. Różnica pozycji po szerokości geograficznej zarejestrowanych przez zespół radarów
Centrum i podanych przez ION [m]
Fig. 5. Latitude difference registered by VTS radars and given by ION [m]
Rysunek 5 przedstawia różnicę między szerokościami geograficznymi zarejestrowanymi przez zespół radarów Centrum a podaną przez ION. Ujemna oś
pionowa oznacza przesunięcie pomiarów zarejestrowanych przez zespół radarów Centrum w kierunku południowym w stosunku do wartości podanej przez
ION.
35
Andrzej Burzyński
Wartość średnia rozkładu obliczona ze wzoru:
NS 
1 n
 NS i
n i n
(4)
gdzie
NSi – odległość między szerokościami geograficznymi badanej obserwacji.
Wartość ta wynosi –3,18 m.
Odchylenie standardowe dla tego rozkładu obliczone ze wzoru:

1 n
S NS    NS i  NS
 n i 1
 
2

(5)
wynosi 0,65 m.
Podwójna wartość SNS wynosi 1,32 m.
Współczynnik dyspersji:
V ( S NS ) 
S NS
NS
(6)
wynosi 20,69.
Postępując podobnie ze współrzędnymi (φ, λ) kolejnych obserwacji oraz
wykorzystując analogiczne wzory zastosowane powyżej, otrzymujemy wartość
średnią pozycji zarejestrowanej przez zespół radarów Centrum. Pozycja ta wynosi (rys. 2):
φ =
λ =
54° 24,903΄ N
018° 48,004΄ E
Odległość między dwoma pozycjami, średnią a ION, przedstawionymi na
rysunku 1 wynosi 12,3 m.
Rysunek 6 przedstawia odległość między pozycją zarejestrowaną przez zespół radarów Centrum a pozycją podaną przez ION.
Średnia wartość wynosi –12,3 m, odchylenie standardowe 1,0 m, a podwójna wartość odchylenia standardowego 2,0 m.
36
Analiza dokładności wskazań obiektów nawodnych
Różnica (w metrach) między pozycją zarejestrow aną przez zespół
radarów Centrum a pozycją podaną przez ION
-8
[ m] 1
51
101
151
201
251
301
351
401
451
liczba obserwacji
-10
odległość
-12
-14
-16
odległość
-18
Rys. 6. Różnica pozycji zarejestrowanych przez zespół radarów Centrum
i podanych przez ION [m]
Fig. 6. Position difference registered by VTS radars and given by ION [m]
Podsumowanie
Centrum Nadzoru Ruchu VTS Zatoka Gdańska pracuje wykorzystując zespół pięciu radarów brzegowych. Ich sygnały przekazywane są do głównego
komputera, który wykorzystując firmowy algorytm obliczeniowy wyświetla na
monitorze operatorskim echo śledzonego obiektu. Operator nie jest jednak zainteresowany zasadą działania algorytmu obliczeniowego, sposobem zbierania
danych o śledzonym obiekcie. Interesuje go głównie to, czy informacja jest dokładna i jaka jest jej dokładność.
Otrzymaną z pomiarów odległość między pozycjami wynosząca 12,3 m stanowi szerokość mniejszego lub połowę szerokości dużego statku. Wartość ta
może mieć poważne znaczenie przy orzekaniu, czy śledzony obiekt pływający
„najechał”, zniszczył inny obiekt, np. oznakowanie nawigacyjne.
W pracy operatora coraz większą rolę odgrywa urządzenie do automatycznej identyfikacji statków (AIS). Połączenie obu informacji jest ważnym elementem bezpieczeństwa nawigacyjnego. AIS pracuje korzystając z systemu automatycznego określania pozycji (GNSS), który określa pozycje obiektów z coraz
większą dokładnością. Radary samodzielnie określają pozycje obiektu. Tak więc
znajomość charakteru błędów zespołu radarów jest istotna i pozwala operatorowi precyzyjnie określić pozycję śledzonego obiektu, statku na podstawie dwóch
różnych źródeł informacji, radaru i AIS.
37
Andrzej Burzyński
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Burzyński A., Porównanie zobrazowania informacji na monitorach AIS
i radar/ARPA, Prace Naukowe, Politechnika Radomska, Elektryka, Nr 1(9)
2005.
Makać W., Urbanek-Krzysztofiak D., Metody opisu statystycznego, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk 1995.
Materiały źródłowe – Urząd Morski w Gdyni.
Wawruch R., ARPA, zasady działania i wykorzystanie, WSM Gdynia, 2002.
Wawruch R., Uniwersalny statkowy system automatycznej identyfikacji,
FRWSM w Gdyni, 2002.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
prof. dr hab. inż. kpt.ż.w. Evgeniy Lushnikov
Adres Autora
mgr inż. Andrzej Burzyński
Akademia Morska w Gdyni
Wydział Nawigacyjny
Katedra Manewrowania Statkiem
Al. Jana Pawła II 3, 81-225 Gdynia
e-mail: [email protected]
38