Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - Accuracy Analysis of Sea Objects

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

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

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 cov-ering the Gulf of Gdansk. The author compares positions of those objects on the basis of VTS and DGPS readings.

Wstęp

Statystyki ostatnich lat wykazują wzrost natężenia ruchu na obszarze Morza Bałtyckiego. Raporty z polskich portów wskazują na coraz większą liczbę zawi-jających statków oraz rosnące ilości przeładowanego towaru. Pojawiają się jed-nostki 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 Orga-nizację 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 śro-dowiska 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 wa-runkach atmosferycznych jest radar/ARPA [4]. Dodatkowo większość jednostek pływających posiada zainstalowane na pokładzie urządzenie do automatycznej identyfikacji statków (AIS) [5]. Umożliwia ono zidentyfikowanie jednostki po-przez jej nazwę, sygnał wywoławczy, numer MMSI, IMO oraz odczytanie jej aktualnej pozycji. Informacje te wysyłane są przez urządzenie w stałych okre-ślonych odstępach czasu i odbierane przez wszystkie odbiorniki AIS znajdujące się w zasięgu jego pracy.

Zasięgi obu urządzeń, radaru/ARPA i AIS są porównywalne i wystarczają-ce, 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 wy-korzystując dwa różne algorytmy identyfikacyjne. Radar/ARPA sam wysyła i odbiera sygnał, który służy mu do identyfikacji echa. AIS tylko wysyła infor-macje, które otrzymuje z różnych źródeł zewnętrznych. Tymi źródłami są opera-tor, który wprowadza nazwę statku, sygnał wywoławczy oraz czujniki, np. log czy urządzenie do automatycznego określania pozycji (GNSS, obecnie najczę-ściej 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 powyż-szych 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.

Nowe zarządzenia IMO nakazują administracjom państw wyznaczenie ob-szarów schronienia. Mogą to być specjalne miejsca w porcie, ale też mogą być to obszary wyznaczone na morzu. Obszar schronienia to miejsce osłonięte, bez-pieczne, chroniące jednostkę w czasie np. silnych wiatrów czy w sytuacji jakiejś awarii. Powyższe przykłady nie wyczerpują oczywiście możliwości wykorzysta-nia obszarów schroniewykorzysta-nia. Jednak końcowym efektem przebywawykorzysta-nia 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, zarejestrowa-nych 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 zdolno-ści 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 interwen-cja nastąpi, jeżeli parametry ruchu czy też pozyinterwen-cja statku będą zagrażały bezpie-czeństwu 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 brzego-wych 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

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, znajdu-jących się na Zatoce Gdańskiej. Pozycję tych obiektów otrzymano z Inspektora-tu 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 Gdy-ni, 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 przemieszcza-nia się prądu nie zmieprzemieszcza-nia jej pozycji. Tym samym stawa ta pozwala na precy-zyjne określenie błędu wskazań pozycji zarejestrowanych przez zespół radarów

Centrum. Tak dobrany obiekt może być wzorcem do określania błędu pozycji pozostałych obiektów.

Stawa P-5 umieszczona jest na pozycji (wg ION, w odwzorowaniu WGS-84):

φ = 54° 24,905΄ N λ = 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, zare-jestrowaną 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 Cen-trum w kierunku wschodnim, a oś pionowa ujemna, to wartość przesunięcia tych wskazań w kierunku południowym.

Pozycja stawy P-5 24,901 24,902 24,903 24,904 24,905 24,906 47,99 47,995 48 48,005 48,01 długość geograficzna sz er ok oś ć ge og raf ic zna zespół radarów ION Średnia 54°N [minuty] 018°E [minuty]

Rys. 2. Pozycja stawy P-5

Fig. 2. Position of beacon P-5

Rysunek 4 przedstawia różnicę między długością geograficzną zarejestro-waną 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.

Położenie stawy P-5 -8 -6 -4 -2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 przesunięcie poziome p rze su n ię ci e p io n o we zespół radarów położenie stawy P-5 [ m ] [ m ]

Rys. 3. Położenie stawy P-5

Fig. 3. Orientation of beacon P-5 Wartość średnia tego rozkładu, obliczona ze wzoru [2]:



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:







Podwójna wartość SWZ = 1,78 m oznacza, że 95,5% otrzymanych wyników

mieści się w tym obszarze.

Współczynnik dyspersji pozwalający ocenić natężenie zróżnicowania bada-nego rozkładu obliczony ze wzoru:

 

8 10 12 14 16 18 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 liczba obserwacji od leg łoś ć odległość [ m ]

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]

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 liczba obserwacji o d le g ło ść odległość [ m ]

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 zare-jestrowanymi przez zespół radarów Centrum a podaną przez ION. Ujemna oś pionowa oznacza przesunięcie pomiarów zarejestrowanych przez zespół rada-rów Centrum w kierunku południowym w stosunku do wartości podanej przez ION.

Wartość średnia rozkładu obliczona ze wzoru:



NSi – odległość między szerokościami geograficznymi badanej obserwacji.

Wartość ta wynosi –3,18 m.

Odchylenie standardowe dla tego rozkładu obliczone ze wzoru:







Podwójna wartość SNS wynosi 1,32 m.

Współczynnik dyspersji: NS S S V 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 wy-nosi (rys. 2):

φ = 54° 24,903΄ N

λ = 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 ze-spół radarów Centrum a pozycją podaną przez ION.

Średnia wartość wynosi –12,3 m, odchylenie standardowe 1,0 m, a po-dwójna wartość odchylenia standardowego 2,0 m.

Różnica (w metrach) między pozycją zarejestrow aną przez zespół radarów Centrum a pozycją podaną przez ION

-18 -16 -14 -12 -10 -8 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 liczba obserwacji od le gł oś ć odległość [ m ]

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 ze-spół 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 zain-teresowany zasadą działania algorytmu obliczeniowego, sposobem zbierania danych o śledzonym obiekcie. Interesuje go głównie to, czy informacja jest do-kładna i jaka jest jej dokładność.

Otrzymaną z pomiarów odległość między pozycjami wynosząca 12,3 m sta-nowi 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 automatycz-nej identyfikacji statków (AIS). Połączenie obu informacji jest ważnym elemen-tem bezpieczeństwa nawigacyjnego. AIS pracuje korzystając z syselemen-temu automa-tycznego 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 operatoro-wi precyzyjnie określić pozycję śledzonego obiektu, statku na podstaoperatoro-wie dwóch różnych źródeł informacji, radaru i AIS.

Literatura

1. Burzyński A., Porównanie zobrazowania informacji na monitorach AIS

i radar/ARPA, Prace Naukowe, Politechnika Radomska, Elektryka, Nr 1(9)

2005.

2. Makać W., Urbanek-Krzysztofiak D., Metody opisu statystycznego, Wy-dawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk 1995.

3. Materiały źródłowe – Urząd Morski w Gdyni.

4. Wawruch R., ARPA, zasady działania i wykorzystanie, WSM Gdynia, 2002. 5. 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: burzand@klif.am.gdynia.pl