SPIS TREŚCI

Gdańsk, czerwiec 2014

Współczesne Systemy Elektroniki Morskiej

materiały do wykładu

Dawid Jereczek

Adam Kurowski

Piotr Kryger

Spis treści

1

Nawigacja

2

1.1

Logi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2

Nawigacja morska

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3

Pojęcia w nawigacji klasycznej

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.4

Kompasy

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.5

System GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2

Echolokacja i hydroakustyka

8

2.1

Zasady działania systemów echolokacyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2

Równanie zasięgu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.3

Zasada działania echosondy parametrycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.4

Hydroakustyczne systemy nawigacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.5

Propagacja fal akustycznych w wodzie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3

Współczesne narzędzia elektroniki morskiej

10

3.1

Hydrotelefonia

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.2

ARPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.3

AUV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.4

GMDSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

4

Żargon. Skróty i akronimy

15

1/17

Gdańsk, czerwiec 2014

1

Nawigacja

1.1

Logi

Log jest urządzeniem do pomiaru prędkości poruszania się jednostki pływającej. Znajomość szybkości
statku, oraz jego kursu, pozwala na ustalenie pozycji statku w nawigacji zliczeniowej.
Możliwe jest wprowadzenie podziału logów za względu na zasadę działania:

• mechaniczne - prędkość wyznaczana jest na podstawie szybkości obrotów śruby lub wiatraczka

zanurzonego w wodzie

• ciśnieniowe - pomiar za pomocą dwóch rurek, rurka prostopadła do kierunku ruchu mierzy ci-

śnienie statyczne, rurka równoległa do kierunku ruchu mierzy sumę ciśnienia statycznego i dyna-
micznego (tzw. rurka Pitota). Przy znajomości zmierzonego w ten sposób ciśnienia dynamicznego
możliwe jest obliczenie prędkości statku.

•

indukcyjne

- działające na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Posiadają one dwie elektrody

pomiędzy którymi znajduje się woda morska. Gdy statek jest w ruchu, woda ta także jest w ruchu
względem elektrod. Nad elektrodami umieszczony jest magnes. Z tego powodu na elektrodach
indukuje się napięcie, którego wartość jest

liniowo

proporcjonalna do prędkości statku.

• dopplerowskie - wysyłają sygnały akustyczne

pod kątem

w kierunku dna. Sygnały te wracają do

statku po odbiciu od dna, natomiast ich częstotliwość jest zmieniona o wartość odchyłki Dopplera.
Na tej podstawie możliwe jest wyznaczenie prędkości statku.

1.2

Nawigacja morska

Ze względu na sposób wyznaczania pozycji statku, nawigację można podzielić na:

• zliczeniową - pozwalającą na przybliżone określenie pozycji statku na podstawie znajomości jego

ostatniej zmierzonej pozycji (pozycji obserwowanej) oraz jego kierunku (kursu) i szybkości.

• astronomiczną (astronawigację) - w której określanie położenia statku oparte jest o obserwację

położenia ciał niebieskich

• terrestryczną - prowadzoną przy zachowaniu widoczności lądu, polegającą na ustalaniu położe-

nia statku przy wykorzystaniu lądowych znaków nawigacyjnych, charakterystycznych elementów
topograficznych terenu lub innych charakterystycznych, widocznych z morza obiektów o znanej
pozycji

• inercyjną -

rodzaj nawigacji zliczeniowej, w której wektor prędkości wyznaczany jest

na podstawie

pomiaru przyspieszenia, stosowana głównie w okrętach podwodnych, metoda precyzyjna

• satelitarną - np. wykorzystującą odbiornik GPS, metoda najdokładniejsza z wymienionych

1.3

Pojęcia w nawigacji klasycznej

Historycznie, nawigację zliczeniową uznaje się za klasyczną metodę nawigacji morskiej.

W skrócie - wykorzystywana jest w niej znajomość szybkości poruszania się statku (zmierzona przy
pomocy logu), kursu statku (wyznaczonego przy użyciu kompasu) i ostatniego znanego położenia. Ła-
two zauważyć, że błędy w tej metodzie nawigacji kumulują się wraz z czasem, a obszar nieokreśloności
położenia wzrasta wraz z błędem pomiaru prędkości statku i błędem określenia kierunku, w którym
porusza się statek.

Kurs jest to kierunek w którym zwrócona jest dziobowa część osi symetrii statku względem przy-
jętego południka odniesienia. [6] Kursy liczone są systemem okrężnym (tj. w zakresie 0-360 stopni od
północy zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara).

2/17

1.3

Pojęcia w nawigacji klasycznej

Gdańsk, czerwiec 2014

Podstawowym przyrządem nawigacyjnym służącym do wyznaczenia i utrzymywania kursu jest kompas
magnetyczny. Kompas magnetyczny wyznacza kierunek południka magnetycznego

z uwzględnieniem

dewiacji (błędu o innej wartości dla każdego kursu, spowodowanego zakłóceniem ziemskiego pola
magnetycznego przez inne obiekty indukujące własne pole magnetyczne, np. stalowy kadłub statku,
znajdujące się w pobliżu kompasu magnetycznego)

. Warto zauważyć, że bieguny geograficzne Ziemi

(względem których orientowane są mapy) nie pokrywają się z biegunami magnetycznymi Ziemi.

Od-

chylenie kierunku północy magnetycznej od kierunku północy geograficznej (stałe dla danego punktu)
nazywa się deklinacją.

Stąd, można mówić o północy rzeczywistej (N), północy magnetycznej

(Nm) i północy kompasowej (Nk) - w zależności od którego kierunku liczony będzie kąt do linii
symetrii (diametralnej) jednostki pływającej. Czasem, wyróżnia się też kierunek północy żyrokom-
pasowej (Nż)[6].
Można więc wyróżnić trzy kursy:

• kurs rzeczywisty - kąt między kierunkiem północy rzeczywistej a osią symetrii statku

• kurs magnetyczny - kąt między kierunkiem północy magnetycznej a osią symetrii statku

• kurs kompasowy - kąt między kierunkiem północy wskazywanej przez kompas a osią symetrii

statku

Kurs rzeczywisty nie jest równoznaczny z kierunkiem, w którym porusza się statek, po-

nieważ na płynący statek oddziaływują również siły związane ze zjawiskami zewnętrznymi, które mogą
powodować schodzenie statku z kursu. Ruch poprzeczny związany z działaniem wiatru nazywamy dry-
fem, natomiast ruch poprzeczny związany z działaniem prądów morskich nazywamy znosem. Utrzy-
manie kursu statku wymaga uwzględniania poprawek m.in. na wiatr i na prąd.

Namiar to kąt pomiędzy kierunkiem odniesienia a kierunkiem wyznaczanym przez linię od obser-

watora do namierzanego obiektu[6]. Kierunkiem odniesienia może być północ wskazywana przez kompas
lub oś symetrii statku (wtedy jest to kąt kursowy). Tak jak w przypadku kursów, można wyróżnić trzy
namiary o identycznych zależnościach:

• namiar rzeczywisty - kąt między kierunkiem północy rzeczywistej a kierunkiem od obserwatora

do namierzanego obiektu

• namiar magnetyczny - kąt między kierunkiem północy magnetycznej a kierunkiem od obser-

watora do namierzanego obiektu

• namiar kompasowy - kąt między kierunkiem północy wskazywanej przez kompas a kierunkiem

od obserwatora do namierzanego obiektu

Kąt kursowy to kąt zawarty pomiędzy dziobową częścią osi symetrii statku a linią łączącą obser-

watora z obserwowanym obiektem. Kąty kursowe są liczone w systemie

połówkowym

[6].

Warto pamiętać, że istnieją cztery systemy liczenia kierunków:

• system pełny (okrężny) - od N, zgodnie z ruchem wskazówek zegara w zakresie 0-360 stopni,

np. 220

◦

• system połówkowy (półpełny) - 180 stopni na prawo (w kierunku wschodu) od N, lub 180 stopni

na lewo (w kierunku zachodu) od N, np. 140

◦

NW

• system ćwiartkowy - od N lub S w kierunku E lub W, od 0 do 90 stopni, np. S40

◦

W

• system rumbowy - stosowany dawniej, w którym tarcza kompasu jest podzielona na 32 rumby,

gdzie każdy rumb jest równy 1/32 kąta pełnego i ma swoją nazwę, np. SW (ang. Southwest)

W nawigacji morskiej powszechnie stosowane są jednostki miar niebędące częścią układu SI.

3/17

1.4

Kompasy

Gdańsk, czerwiec 2014

Podstawową jednostką długości używaną w nawigacji jest mila morska (Mm, ang. nautical mile
- NM ). Jedna mila morska jest równa długości jednej minuty na kole wielkim Ziemi.

(Zakłada się pewne uproszczenie że Ziemia jest kulą geometryczną o średnim promieniu R = 6371,1 km. Każde

koło o promieniu R, przechodzące przez środek Ziemi nazywa się kołem wielkim. Tzn. w takim modelu równik i

wszystkie południki są kołami wielkimi Ziemi)

1[Mm] =

2∗Π∗6371,1∗1000

360∗60

≈ 1852m

Jednostką prędkości używaną w nawigacji morskiej jest węzeł (kn, ang. knot). Jeden węzeł równy
jest jednej mili morskiej na godzinę.

1[kn] =

1[M m]

1[h]

≈ 1, 852[km/h]

≈ 0, 5[m/s]

1.4

Kompasy

Kompas jest podstawowym przyrządem w nawigacji służącym do wyznaczania bieżącego kierunku po-
łudnika magnetycznego, a dzięki temu - umożliwiającym określanie kierunków na morzu.

Wśród kompasów wyróżnia się m.in.:

• magnetyczne - historycznie pierwsze, wskazują kierunek południka magnetycznego

• żyrokompasy - dobre i drogie; wskazania żyrokompasu są niezależne od własnego pola magne-

tycznego statku i deklinacji magnetycznej (żyrokompas pokazuje więc biegun geograficzny, a nie
magnetyczny), natomiast błędy pomiaru powodowane ruchem statku są automatycznie korygo-
wane dzięki właściwościom żyroskopu

• ”satelitarne” - wykorzystujące dwa odbiorniki GPS oddalone od siebie o znaną długość 0,5

m - 1 m i określające kierunek południka geograficznego na podstawie różnicy we wskazaniach;
działają dobrze w przestrzeni otwartej objętej zasięgiem działania wybranego systemu nawigacji
satelitarnej.

1.5

System GPS

Satelitarne systemy nawigacyjne powstały, aby można było w szybki i precyzyjny sposób wyznaczyć
pozycję odbiornika danego systemu na powierzchni Ziemi. Systemy te zwyczajowo dzielą się na trzy
segmenty [5]:

• kosmiczny

• kontrolny (naziemny)

• użytkownika

Jednym z czołowych przedstawicieli takich systemów jest amerykański nawigacyjny system sateli-

tarny - GPS (ang. Global Positioning System). Jego działanie opiera się o pomiar odległości dzielącej
obserwatora od znajdującego się na ściśle wyznaczonej orbicie satelity, którego pozycja jest w danym
momencie znana [9]. System GPS jest systemem biernym (pasywnym), gdyż sygnał nadawany jest przez
satelity, a użytkownicy posługują się jedynie odbiornikami. System jest zarządzany przez

Minister-

stwo Obrony USA (United States Department of Defense)

[5].

Jego segment kosmiczny składa się nominalnie z

24 satelitów oraz satelitów zapasowych

. Sate-

lity operacyjne (o zakładanej żywotności ok. 7.5 roku) rozmieszczone są na 6 orbitach (wysokość orbity:

ok. 20 000 km

), tak, że prawdopodobieństwo dostępności co najmniej 5 z nich w dowolnym punkcie

na płaszczyźnie Ziemi wynosi 0.9996. Dokładność określania pozycji horyzontalnej przy pomocy sys-
temu GPS w 95% przypadków wynosi ok. 5-10 m. Każdy satelita emituje bardzo stabilne częstotliwości

4/17

1.5

System GPS

Gdańsk, czerwiec 2014

pomiarowe, sygnały czasu własnego zegara oraz odpowiednio zakodowane efemerydy pokładowe po-
zwalające wyznaczyć współrzędne satelity w wybranym momencie. Wszystkie satelity obecnie (marzec
2010) emitują nieprzerwanie sygnały na dwóch częstotliwościach nośnych L1 = 1575,42 MHz oraz L2
= 1227,60 MHz. Obie częstotliwości nośne są modulowane w fazie za pomocą kodu pseudolosowego
[4, 5, 9]. Istnieją 3 kody binarne nanoszone na dwie nośne [9]:

• kod C/A (Coarse Acquisition) - moduluje fazę L1. Kod ten jest dla każdego satelity inny - daje

możliwość identyfikacji satelity; jest to sygnał pseudolosowy. Kod C/A jest sygnałem binarnym,
nadawanym z prędkością transmisji 1.023 Mb/s.

• kod ( P

(nadawany w warunkach normalnych)

, Y

(zapasowy, nadawany w sytuacjach

szczególnych)

(Precise)) - moduluje zarówno podnośną L1 jak i L2. Dostęp do kodu P pozwala

na osiąganie dokładności przeznaczonych do zastosowań militarnych. Kod P jest pozornie podobny
do kodu C/A, ale ma bardziej złożoną strukturę. Jego prędkość transmisji wynosi 10.23 MHz.
Jest on właściwie sekwencją trwającą 267 dni. Każdy z satelitów ma przypisany

siedmiodniowy

segment tej sekwencji.

• depesza nawigacyjna - moduluje L1. Na sygnały P i C/A nałożona jest depesza nawigacyjna,

uaktualniana co cztery godziny ze stacji naziemnych. Dodatkowo transmitowane są dane o stanie
satelitów, aktualne współczynniki do obliczenia opóźnienia jonosferycznego i dane do obliczenia
czasu UTC (GPS Satellite Universal Coordinated Time).

Przez segment naziemny systemu satelitarnego należy rozumieć zlokalizowane na powierzchni

Ziemi i uczestniczące w funkcjonowaniu systemu stacje śledzące, kontrolne, centrum obliczeniowe oraz
stacje przesyłające informacje do satelitów. Segment ten składa się z następujących stacji [4, 5]:

• sieci stacji śledzących (Monitor Station - MS)

• stacji głównej (Master Control Station - MCS)

• sieci stacji korygujących (Ground Antennas)

Nadzór nad całością działania systemu sprawuje stacja główna, której podlegają wszystkie stacje śle-

dzące i korygujące. Segment naziemny jest odpowiedzialny za monitorowanie i utrzymanie poprawnego
działania całego systemu, a w szczególności za [5]:

• bieżącą kontrolę i utrzymanie statusu oraz konfigurację segmentu kosmicznego

• wspomaganie segmentu użytkownika w precyzyjnym określaniu efemeryd i

korekt zegarów ato-

mowych satelitów

przez przygotowanie i uaktualnianie danych dla depesz nawigacyjnych prze-

syłanych do poszczególnych satelitów celem ich późniejszej retransmisji

• bieżącą kontrolę

korekt zegarów

, efemeryd

orbit satelitów i opóźnienia jonosferycznego

.

• utrzymanie różnego rodzaju systemów wspomagających

Segment kontroli tworzony jest przez system czterech stacji monitorujących i główne centrum

kontroli w Colorado Springs. Stacje odbierają sygnały kontrolne i telemetryczne satelitów - w razie po-
trzeby dokonując zdalnej korekty. Zadaniem stacji monitorujących jest śledzenie trajektorii satelitów. W
razie wystąpienia odchyleń od modelu orbitalnego ruchu, zostają wyliczone precyzyjne dane korekcyjne
(efemerydy) i korekty zegara. Poprawki takie są wyliczane dla każdego z satelitów. Dane te są wysyłane
z głównego centrum poprzez stacje nadawcze do poszczególnych satelitów. Poprawki te są następnie
przesyłane wraz z sygnałem satelity do użytkowników systemu w postaci depeszy nawigacyjnej. Raz do
roku każdy z satelitów zostaje poddany procesowi repozycjonowania, trwa to około 12 godzin. W tym
czasie satelita jest nieaktywny. Stacja monitorująca może śledzić jednocześnie do 11 satelitów [9].

5/17

1.5

System GPS

Gdańsk, czerwiec 2014

Stacje segmentu naziemnego zapewniają więc nieprzerwaną obserwację wszystkich satelitów systemu,
wykorzystywaną następnie do precyzyjnych obliczeń parametrów orbity (efemeryd) wszystkich satelitów
oraz poprawek wskazań ich wzorców pokładowych. Dzięki temu pozycja każdego satelity w przestrzeni
jest na bieżąco aktualizowana, czas jego zegara jest synchronizowany z czasem systemu [9].

Rysunek 1: System GPS - obieg danych nawigacyjnych pomiędzy satelitą a poszczególnymi stacjami
segmentu naziemnego

Znając odległość od satelity lokujemy odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości.

Znając odległość od dwóch satelitów lokujemy odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwóch sfer.
Kiedy odbiornik zmierzy odległość od trzech satelitów, istnieją tylko dwa punkty, w których może się
on znajdować. Jeden z tych punktów można wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający
się zbyt szybko. W ten sposób wyznaczamy swoją pozycję. Wyznaczenie odległości od co najmniej 4
satelitów pozwala na określenie pozycji w trzech wymiarach (X, Y, Z). [8, 9].

Rysunek 2: System GPS - wyznaczanie położenia

R

1

=

p

(X − X

1

)

2

+ (Y − Y

1

)

2

+ (Z − Z

2

)

2

+ ∆t · c

∆t - rozbieżność między wskazaniami czasu satelity i odbiornika

Na wielkość błędu określania pozycji w GPS wpływ mają [8]:

• opóźnienia sygnałów w jonosferze

• propagacja wielodrogowa i zaniki

• szumy i ograniczena rozdzielczość odbiornika

• błędy położenia satelitów

• błędy zegarów w satelitach

• refrakcja

6/17

1.5

System GPS

Gdańsk, czerwiec 2014

• błąd rozmycia pozycji (gdy satelity będą zbyt blisko siebie)

Aby wyeliminować zakłócenia spowodowane opóźnieniem propagacyjnym związanym z troposferą

i jonosferą oraz błędami zegarów, stworzono system DGPS (różnicowy GPS) w którym stosuje się
dodatkowo stacje referencyjne [8]. Na początku 2014 roku stacji operacyjnych było 288, zlokalizowanych
w 39 państwach świata. Dwie z nich znajdują się w Polsce - w Rozewiu i Dziwnowie. Stacje DGPS są
wykrzystywane przede wszystkim w nawigacji morskiej, nie tylko ze względu na zwiększoną w stosunku
do systemu GPS dokładność, ale głównie ze względu na możliwość zapewnienia użytkownikowi infor-
macji o wiarygodności użytych satelitów systemu [5].

7/17

Gdańsk, czerwiec 2014

2

Echolokacja i hydroakustyka

2.1

Zasady działania systemów echolokacyjnych

System echolokacyjny jest systemem (telekomunikacyjnym) służącym do pozyskiwania informacji o
środowisku i znajdujących się w nim oddalonych obiektach przy użyciu sygnałów echa.

Rodzaje systemów echolokacyjnych [11]:

• impulsowe - w celu wyznaczenia położenia celu mierzy się czas t od momentu wysłania impulsu

do momentu odbioru sygnału echa i oblicza się odległość obiektu ze wzoru R =

c·t

2

. Zjawisko

kierunkowości anteny służy do określenia namiaru.

• system CW FM z falą ciągłą - nadajnik emituje sygnał z liniową modulacją częstotliwości.

Opóźniony sygnał echa jest porównywany z aktualnym sygnałem emitowanym. Wyznaczana jest
różnica częstotliwości obu sygnałów, która jest proporcjonalna do odległości obiektu obserwowa-
nego obiektu.

• system dopplerowski na fali ciągłej - nadajnik emituje ciągły sygnał o stałej częstotliwości

f

n

. Ze względu na efekt Dopplera odbierany sygnał echa ma inną częstotliwość f

0

, zależną do

prędkości obiektu v. Wynosi ona: f

0

= f

n

(1

±

2

v

c

) gdzie c –prędkość propagacji fali Wyznacza się

różnicę f

n

− f

o

, a stąd prędkość v.

• system pasywny - w systemach pasywnych nie ma nadajnika. Źródłem sygnału odbieranego

są obiekty emitujące fale akustyczne (b.rzadko elektromagnetyczne). Wykorzystując kierunkowość
anten system pasywny wyznacza tylko namiar.

W systemie echolokacyjnym nośnikiem informacji jest sygnał echa.

2.2

Równanie zasięgu

Równaniem zasięgu nazywamy następującą zależność [11]:

EL = SL − 2T L + T S, gdzie:

• EL - poziom echa, który równy jest wyrażonemu w decybelach natężeniu użytecznej fali płaskiej

padającej prostopadle na powierzchnię przetwornika odbiorczego,

• SL - poziom źródła, równy wyrażonej w decybelach, znormalizowanej wartości natężenia fali

akustycznej w odległości jednego metra od powierzchni promieniującej przetwornika na jego osi
akustycznej,

• TL - jednostronne straty transmisyjne, równe wyrażonemu w decybelach stosunkowi na-

tężenia fali promieniowanej przez przetwornik nadawczy, występującego na jego osi akustycznej
w odległości jednego metra od powierzchni przetwornika, do natężenia fali płaskiej, padającej
prostopadle na powierzchnię

celu

,

• TS - siła celu, równa wyrażonemu w decybelach ilorazowi natężenia fali odbitej od celu w

kierunku odbiornika w odległości 1 m od jego środka i natężenia płaskiej fali akustycznej padającej
na cel z kierunku nadajnika.

W rzeczywistości dla radarów morskich faktycznym istotnym warunkiem ograniczającym

zasięg

jest wysokość zawieszenia jego anteny oraz wysokość obiektu, który jest za jego pomocą lokalizowany.
Ograniczenie zasięgu wynika wprost z krzywizny Ziemi i przedstawione jest za pomocą następującego
równania:

8/17

2.3

Zasada działania echosondy parametrycznej

Gdańsk, czerwiec 2014

Rysunek 3: Radar morski

zasięg [Mm] = 2, 22 · (

q

wysokość anteny [m]

+

q

wysokość obiektu [m])

2.3

Zasada działania echosondy parametrycznej

Echosonda jest urządzeniem służącym do pomiaru głębokości wody oraz odległości od unoszących się w
niej ciał stałych. Odległość jest mierzona na podstawie pomiaru czasu powrotu sygnału echa odbitego
od dna, łodzi podwodnej, ławicy ryb itd.. Do wypromieniowania fali służy odpowiedni przetwornik
elektroakustyczny. Za jego pomocą jest także realizowany odbiór impulsu echa.

Echosonda parametryczna jest specjalnym rodzajem echosondy, w której wykorzystane są nieliniowe

właściwości ośrodka, w którym propaguje się fala akustyczna. Z przetwornika nadawane są dwie fale o
wysokiej

i podobnej

częstotliwości, na przykład 200 kHz oraz 210 kHz. W wodzie na skutek mieszania

się tych częstotliwości spowodowanego występowaniem zjawisk nieliniowych następuje generacja tonu
różnicowego o częstotliwości

np.

10 kHz [10].

Uzyskana w ten sposób charakterystyka kierunkowa przetwornika jest wąska (dzięki promienio-

waniu wysokich częstotliwości z przetwornika), jednocześnie właściwości impulsu są charakterystyczne
dla częstotliwości niskich (ton różnicowy posiada niską częstotliwość), dzięki czemu za pomocą takiej
echosondy można badać na przykład warstwy osadów dennych. Niestety tylko niewielka część energii
składowych o częstotliwościach wysokich przenika do energii tonu różnicowego.

2.4

Hydroakustyczne systemy nawigacyjne

Mają zastosowanie m.in. w sytuacjach, gdy trzeba zapewnić możliwość nawigacji w trakcie prac pro-
wadzonych pod wodą. Jako punkt odniesienia mogą służyć tzw. hydrolatarnie, które są punktami cha-
rakterystycznymi służącymi do wskazywania pozycji. Może także być odwrotnie: to my próbujemy
zlokalizować obiekt ruchomy, który nadaje sygnał.
Urządzenia stosowane w tego typu nawigacji możemy podzielić na trzy klasy:

• pinger - boja hydroakustyczna, wysyła tzw. pingi, czyli paczki impulsu sinusoidalnego o określonej

częstotliwości, czasie trwania i okresie powtarzania,

• responder - wysyła sygnały w odpowiedzi na pobudzenie przesłane do niego drogą przewodową

(np. za pomocą kabla),

• transponder - wysyła impulsy, ale pobudzeniem, który je wyzwala jest sygnał akustyczny

Systemy nawigacji hydroakustycznej można podzielić na trzy grupy [11]:

• systemy z długą bazą - elementy charakterystyczne służące do ustalania pozycji są oddalone na

odległość wielokrotnie większą od długości fali, zwykle są to trzy lub więcej przekaźnikowe stacje
liniowe umieszczone na zewnętrznych granicach obszaru działania systemu, a >> λ
(a - odległość między elementami). Elementy są oddalone od siebie na odległość od 20 do 2000
metrów,

9/17

2.5

Propagacja fal akustycznych w wodzie

Gdańsk, czerwiec 2014

• systemy z krótką bazą - punktami odniesienia są anteny sonarowe umieszczone na jednostce

pływającej. W tym wypadku pozycja obiektu pod wodą określana jest względem jednostki pływa-
jącej na podstawie pomiaru odległości do poszczególnych stacji przekaźnikowych. a > λ, elementy
odległe od 0,5 do 20 metrów,

• systemy z ultrakrótką bazą - a <

λ

2

, elementy odległe o 0,01 do 0,5 metra. System ma postać

pojedynczej stacji przekaźnikowej zanurzonej w wodzie (małe wymiary systemu).

2.5

Propagacja fal akustycznych w wodzie

Falą akustyczną nazywamy zachodzące w czasie i w przestrzeni zmiany stanu równowagi ośrodka sprę-
żystego. Cechy ośrodka warunkujące rozchodzenie się fal akustycznych to bezwładność i sprężystość.
Fale akustyczne w wodzie rozchodzą się z prędkością około 1500[

m

s

].

W warunkach rzeczywistych prędkość ta nie jest jednorodna w całym ośrodku, a zależy ona w głów-

nej mierze od jego temperatury. Jest to niekorzystne zjawisko, które przyczynia się między innymi
do ograniczenia maksymalnego zasięgu, jaki może być osiągnięty w danej chwili przez sonar. Niejedno-
rodność prędkości propagacji dźwięku powoduje zakrzywienie toru propagacji fali akustycznej. Z tego
powodu nie zawsze jest możliwe pełne wykorzystanie możliwości sonaru. Możliwe jest także występo-
wanie takich obszarów, których nie będzie można obserwować za pomocą sonaru ze względu na fakt,
że fale akustyczne zakrzywiają tor swojej propagacji w taki sposób, że miejsca te są całkowicie omijane
[12]. Drugim czynnikiem wpływającym na prędkość rozchodzenia się fal akustycznych jest

ciśnienie

hydrostatyczne

. W celu uwzględnienia tego zjawiska, zwanego zjawiskiem refrakcji, przeprowadza się

pomiaru rozkładu prędkości propagacji dźwięku.

Innym ważnym zjawiskiem zachodzącym w wodzie jest tłumienie absorpcyjne emitowanej fali

akustycznej. Jest ono przyczyną ograniczenia zasięgów stosowanych urządzeń hydroakustycznych. Za-
leży ono od częstotliwości i jest tym silniejsze im jest ona wyższa. Dlatego wysokorozdzielcze sonary
pracujące na wysokich częstotliwościach posiadają krótsze zasięgi niż sonary pracujące na częstotliwo-
ściach niższych.

3

Współczesne narzędzia elektroniki morskiej

3.1

Hydrotelefonia

Jedną z metod komunikacji z osobami pracującymi pod wodą jest zastosowanie hydrotelefonu. Jakość i
komfort prowadzenia rozmów przez urządzenia tego typu różnią się znacząco na niekorzyść od

osiąganej

np. w systemach telefonii komórkowej. Spowodowane jest to następującymi czynnikami:

• dźwięk rozchodzi się w wodzie dobrze, ale oznacza to także istnienie silnych odbić

od granic

ośrodka

, skutkiem tego jest silny pogłos, który obniża jakość komunikacji (sprawia że istnieje ko-

nieczność mówienia bardzo powoli, tak aby druga strona mogła zrozumieć, co chcemy przekazać),

• szybkość propagacji dźwięku pod wodą jest znacząco mniejsza od szybkości propagacji fali elektro-

magnetycznej, z tego powodu w trakcie rozmów przez hydrotelefon można zaobserwować znaczące
opóźnienia transmisji [12],

Zjawiska te są także istotne w przypadku transmisji danych przez łącze akustyczne (na przykład w

celu sterowania autonomicznymi pojazdami podwodnymi - AUV). Ograniczają one maksymalną moż-
liwą do uzyskania przepływność systemu. Aby nurek mógł korzystać z hydrotelefonu konieczne jest
zastosowanie specjalnych słuchawek oraz mikrofonu w masce lub laryngofonu.

3.2

ARPA

ARPA (ang. Automatic Radar Plotting Aids) - jest to klasa urządzeń, które dokonują obróbki danych
radarowych i prezentują jej wyniki w określonej formie, bez konieczności aktywnego śledzenia obiektów

10/17

3.2

ARPA

Gdańsk, czerwiec 2014

przez obserwatora. Posiadanie urządzenia ARPA jest obowiązkowe dla wszystkich statków większych
niż 10000 RT brutto zbudowanych po 01.08.1984.

Funkcjonalności, które muszą udostępniać urządzenia ARPA:

• śledzenie - obserwacja kolejnych zmian pozycji obiektów w celu określenia parametrów ich ruchu,

• predykcja miejsc, w których śledzone obiekty znajdą sie w przyszłości,

• korelacja - określanie nowego aktualnego położenia na podstawie przewidywanych i aktualnie

zmierzonych położeń

celu

,

• możliwość dowolnego wyboru śledzonego echa,

• detekcja - rozpoznanie obecności obiektu,

• akwizycja - wybór ech wymagających śledzenia dokonywany ręcznie lub automatycznie na przy-

kład poprzez zdefiniowanie sektora, w którym obiekty będą automatycznie wprowadzane do akwi-
zycji lub definiowanie kręgów bezpieczeństwa.

System ARPA pozwala na definiowanie różnego rodzaju alarmów oraz na wydobywanie różnorodnych

informacji o śledzonych obiektach takich jak namiar, odległość, czy prędkość poruszania się. Możliwe jest
także symulowanie wpływu manewrów własnego statku na wszystkie śledzone obiekty bez przerywania
śledzenia. Automatycznie sygnalizowane są także usterki takie jak np. brak sygnału z innych urządzeń
takich jak log lub GPS [1].

W systemach ARPA mogą się pojawiać błędy, które można podzielić na trzy klasy:

• Błędy wytwarzane wewnątrz instalacji radarowej:

– migotanie echa

– błędy namiaru (kołysanie statku, położenie anteny),

– błędy pomiaru odległości (ok 1% zakresu),

– błędy żyrokompasu,

– błędy logu (mają wpływ na długości wektorów),

• Błędy wyświetlania danych:

– zmiana śledzonego obiektu (gdy obiekty śledzone znajdują się blisko siebie - w obrębie jednej

bramki śledzącej - i jeden zasłoni drugi, gdy echo wejdzie w obszar zakłóceń od fal statku
własnego),

– gubienie ech (np. gdy dwa echa znajdą się w tym samym namiarze),

– system musi posiadać odpowiednią formę wygładzania otrzymanej trasy (smoothing),

– wpływ wprowadzenia nieprawidłowej informacji o kursie i prędkości statku własnego na wek-

tory rzeczywiście śledzonych obiektów,

• Błędy interpretacji wyświetlanej na ekranie informacji:

– błędy nawigatora - pomyłka w interpretacji wektorów, zła interpretacja historii ruchu obiek-

tów itp.

Ograniczenia systemów ARPA:

• nie ma pewności wykrycia wszystkich obiektów (zależy od panujących warunków atmosferycznych,

rodzaju obiektu itd.),

11/17

3.3

AUV

Gdańsk, czerwiec 2014

• podczas manewrów statku własnego jak i obcego dokłądność wyliczanych danych ulega obniżeniu,

a nawet zafałszowaniu,

• brak możliwości akwizycji obiektu znajdującego się zbyt blisko statku własnego (a jeżeli się to

uda, to i tak nie ma już czasu czekać na obliczenia systemu ARPA (ok. 3 minut)),

• gubienie ech,

• zmiana śledzonego obiektu,

• manwer próbny niesie ze sobą również błędy wynikające z założenia, że obiekty nie będą manew-

rować w czasie wykonywania manewru przez statek własny.

3.3

AUV

AUV (ang. autonomous underwater vehicle) - klasa bezzałogowych pojazdów podwodnych zdolnych bez
ingerencji operatora do wykonywania powierzonych im zadań. Często mają wydłużony, torpedopodobny
kształt. Możliwe jest ich transportowanie za pomocą samolotów. Istnieją wersje możliwe do przenosze-
nia przez dwie osoby. Potrafią operować na głębokościach rzędu 1500m i nadają się do różnorodnych
zastosowań takich jak [2]:

• archeologia, poszukiwanie wraków okrętów,

• eksploracja dna morskiego,

• inspekcja instalacji podwodnych w celu wykrywania i lokalizacji uszkodzeń,

• unieszkodliwianie niewybuchów,

• badania oceanograficzne,

• monitorowanie stanu podwodnych ekosystemów,

• zapewnienie bezpieczeństwa w portach,

• rozpoznanie, wywiad i podsłuch przeciwnika,

• zwalczanie okrętów podwodnych.

W urządzeniach tego typu zainstalowane są różnorodne instrumenty pomocnicze takie jak:

• sonar boczny,

• log dopplerowski,

• kamera optyczna,

• GPS,

• kompas,

• transponder akustyczny,

• echosonda wysokiej rozdzielczości,

12/17

3.4

GMDSS

Gdańsk, czerwiec 2014

3.4

GMDSS

GMDSS (ang. Global Maritime Distress and Safety System) – Ogólnoświatowy system bezpieczeństwa
i alarmowania. Jest to zbiór procedur bezpieczeństwa, wyposażenia oraz środków łączności radiowej i
satelitarnej przewidziany dla zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi i umożliwienia szybkiego, skutecznego
alarmowania w sytuacji wypadku na morzu, przesyłania informacji ważnych dla bezpieczeństwa statków
oraz zapewnienia łączności w czasie akcji poszukiwawczo–ratowniczych (SAR). System GMDSS jest
przeznaczony do następujących zadań [7, 13]:

• alarmowania o zagrożeniu,

• lokalizowania miejsc katastrof morskich,

• wspomagania akcji ratunkowych,

• rozpowszechniania informacji związanych z bezpieczeństwem żeglugi,

• zapewnienia łączności tzw. ogólnej, związanej z eksploatacją statku.

Do telekomunikacyjnej obsługi tych zadań przeznaczone są następujące systemy, tworzące strukturę
użytkową GMDSS-u [7]:

• geostacjonarny system radiokomunikacji satelitarnej INMARSAT,

• satelitarny system biegunowy do alarmowania i lokalizacji obiektów w niebezpieczeństwie o nazwie

COSPAS-SARSAT (ang. Search and Rescue Satellite-Aided Tracking System),

• satelitarne radiopławy awaryjne EPIRB (ang. Emergency Positioning Indicating Radio Beacon),

• satelitarny system wywołania grupowego EGC (ang. Enhanced Group Calling),

• cyfrowe selektywne wywołanie DSC (ang. Digital Selective Calling),

• naziemna radiotelefonia,

• radiotelegrafia dalekopisowa NBDP (ang. Narrow Band Direct Printing),

• system rozgłaszania ostrzeżeń nawigacyjnych i meteorologicznych NAVTEX (ang. Navigational

Telex).

System INMARSAT powstał w roku 1976 w wyniku podpisania konwencji międzyrządowej. Obecnie
system ten świadczy usługi telekomunikacyjne pod nadzorem nowopowstałej organizacji komercyjnej o
nazwie IMSO (ang. International Maritime Satellite Organization), która opiera swoje działanie na li-
cencjach operatorskich w przeszło stu krajach oraz na umowach dostarczania usług telekomunikacyjnych
podpisanych z kilkuset firmami w kilkudziesięciu krajach. INMARSAT świadczy usługi dla szerokiego
grona użytkowników, począwszy od 1982 roku, na obszarze pomiędzy szerokościami geograficznymi ok.
75 stopni, początkowo tylko dla użytkowników morskich, od roku 1990 także dla lotnictwa, natomiast od
roku 1997 również dla użytkowników lądowych. Podstawą działania systemu są cztery spośród dziewię-
ciu satelitów telekomunikacyjnych umieszczonych na orbicie geostacjonarnej, przy czym są to satelity o
różnych standardach [7].

COSPAS-SARSAT tworzą dwa niezależne systemy satelitarne:

• COSPAS zbudowany przez były Związek Radziecki, z orbitami biegunowymi na wysokości 1000

km, przeznaczony do poszukiwania jednostek i rozbitków na morzu,

• SARSAT zbudowany przez Stany Zjednoczone, Kanadę i Francję, również z orbitami biegunowymi,

lecz na wysokości 850km, przeznaczony do poszukiwania i ratownictwa (ang. SAR - search and
rescue).

13/17

3.4

GMDSS

Gdańsk, czerwiec 2014

W obu systemach stosowane są dwa

pasma

częstotliwościowe: 121.5 MHz oraz 406 MHz. W strukturze

GMDSS-u system COSPAS-SARSAT służy do lokalizowania radiopław awaryjnych EPIRB, nadających
sygnały alarmowe na wymienionych częstotliwościach. Jest to system w pełni globalny, co oznacza, że -
w przeciwieństwie do INMARSAT-u - umożliwia wykrycie i zlokalizowanie nadającej radiopławy, która
może się znajdować w dowolnym miejscu, także w obszarach podbiegunowych. Satelity systemu, po
odebraniu sygnału alarmowego z radiopławy awaryjnej przekazują go, za pośrednictwem lokalnej stacji
naziemnej LUT (ang. Local User Terminal), do Ratowniczego Centrum Koordynacyjnego RCC (ang.
Rescue Coordination Centre). W sygnale zawarte są następujące informacje [7]:

• przynależność państwowa i rodzaj jednostki wzywającej pomocy,

• numer identyfikacyjny radiopławy,

• rodzaj zagrożenia,

• pozycja jednostki w momencie uruchomienia radiopławy.

Do najważniejszych parametrów systemu należą:

• przepustowość, tzn. liczba jednocześnie obsługiwanych radiopław, która w przypadku podpasma

121.5 MHz wynosi 10, natomiast w przypadku 406 MHz wynosi 90,

• błąd w kreślaniu pozycji radiopławy, który w niższym podpasmie wynosi 17.2 km, natomiast w

wyższym 5 km.

Głównym zadaniem systemu NAVTEX jest skoordynowane nadawanie komunikatów do jednostek
pływających w strefie przybrzeżnej. Wszystkie jednostki pływające o pojemności powyżej 300 BRT (ton
rejestrowych brutto) muszą być wyposażone w odbiornik tego systemu. Podstawowa charakterystyka
eksploatacyjna systemu NAVTEX jest następująca [7]:

• stacje brzegowe nadają na jednej częstotliwości 518 kHz,

• aby uniknąć wzajemnych zakłóceń, stosuje się podział czasu pracy poszczególnych stacji,

• odbiór komunikatów na jednostkach pływających odbywa się przy użyciu urządzenia radiotelek-

sowego,

• odbiór komunikatów jest automatyczny w trybie obowiązkowego całodobowego nasłuchu.

14/17

Gdańsk, czerwiec 2014

4

Żargon. Skróty i akronimy

Żargon pozwala wyrażać się precyzyjnie i unikać nieporozumień. Posługiwanie się żargonem umożliwia
ekspertom wzajemne rozpoznawanie się i wykluczanie ze swojego towarzystwa niefachowców, w związku
z czym eksperci stosują żargon chętnie [14].

Zbiór wybranych skrótów i akronimów:

A1

-

obszar morza objęty zasięgiem radiotelefonicznym co naj-
mniej jednej stacji brzegowej VHF, w którym zapewniona
jest ciągła łączność alarmowa za pomocą DSC

A2

-

obszar morza objęty zasięgiem radiotelefonicznym co naj-
mniej jednej stacji brzegowej MF (z wyłączeniem obszaru
A1), w którym zapewniona jest ciągła łączność alarmowa za
pomocą DSC

A3

-

obszar morza, w którym jest zapewniona ciągła łączność
alarmowa za pomocą systemu INMARSAT (z wyłączeniem
obszaru A1 i A2)

A4

-

obszar morz poza obszarami A1, A2 i A3

AIS

-

Universal Ship-borne Automatic Identification System, uni-
wersalny system automatycznej identyfikacji statków

ARPA

-

Automatic Radar Plotting Aids, urządzenie do automatycz-
nego prowadzenia nakresów radarowych

DGPS

-

Differential Global Positioning System, różnicowy GPS

DSC

-

Digital Selective Calling, cyfrowe wywołanie selektywne

EGC

-

Enhanced Group Calling, satelitarny system wywołania gru-
powego

EPIRB

-

Emergency Positioning Indicating Radio Beacon, rodzaj na-
dajnika radiowego pozwalającego na ustalenie miejsca poło-
żenia w sytuacji zagrożenia.

GMDSS

-

Global Maritime Distress and Safety System, światowy mor-
ski system łączności alarmowej i bezpieczeństwa

GPS - NAVSAT

-

Global Positioning System - NAVigation System Time and
Ranging, (amerykański) system nawigacji satelitarnej

HF

-

High Frequency (3-30 MHz), fale krótkie

15/17

Gdańsk, czerwiec 2014

IALA

-

International Association of Lighthouse Authorities, Mię-
dzynarodowy morski system oznakowania nawigacyjnego

MCS

-

Master Control Station, stacja główna

MF

-

Medium Frequency (300 -3000 kHz), fale średnie

MS

-

Monitor Station, stacja śledząca

NAVTEX

-

Navigational Telex, system rozgłaszania ostrzeżen nawiga-
cyjnych i meteorologicznych

UTC

-

GPS Satellite Universal Coordinated Time, Uniwersalny
czas koordynowany

UTM

-

Universal Transverse Mercator (coordinate system), układ
jednoznacznie przyporządkowujący punkty na elipsoidzie
odniesienia WGS 84 odpowiednim punktom na płaszczyźnie
zgodnie z odwzorowaniem walcowym wiernokątnym (Mer-
katora)

RCC

-

Rescue Coordination Centre, Ratownicze Centrum Koordy-
nacyjne

LUT

-

Local User Terminal, lokalna stacja naziemna

SAR

-

Search and Rescue, poszukiwawczo-ratownicza (np. o akcji,
zastosowaniu systemu)

SOLAS

-

Safety of Life at Sea, międzynarodowa konwencja o bezpie-
czeństwie życia na morzu

WGS84

-

World Geodetic System ’84, system definiujący standardową
elipsoidę będącą współcześnie podstawowym układem od-
niesienia w m.in. nawigacji satelitarnej

VHF

-

Very High Frequency (30 -300 MHz), fale ultrakrótkie

16/17

LITERATURA

Gdańsk, czerwiec 2014

Literatura

[1] Best Sailing Club, ARPA - materiały szkoleniowe, dokument umieszczony na stronie w sieci

Internet pod adresem http://bestsailing.eu/files/sendfile.php?Product=ARPA%20BS.pdf&
DownloadID=33, data wejścia: 08-06-2014

[2] Bluefin Robotics, materiały promocyjne dotyczące pojazdów AUV dostępne w sieci Internet pod

adresem http://www.bluefinrobotics.com/products/, data wejścia: 08-06-2014

[3] Czajkowski J., praca zbiorowa pod redakcją: System GMDSS – regulaminy, procedury i obsługa,

Skryba, Gdańsk, 2002.

[4] Januszewski J., Perspektywy rozwoju nawigacyjnych i wspomagajacych systemów satelitarnych w

bliskiej i dalszej przyszłości, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości telekomunikacyjne, 2014, nr
5, s. 116- 123.

[5] Januszewski J., Systemy satelitarne GPS, Galileo i inne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa,

2010.

[6] Jurdziński M., Podstawy nawigacji morskiej, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia,

2003.

[7] Katulski R. J., Radiokomunikacja Morska, Elektronizacja, 2002, nr 6, s. 37- 39.

[8] Łubniewski Z., Telemonitoring środowiska i systemy GIS, Materiały wykladowe, Gdańsk, 2013.

[9] Maciak T., Satelitarne Systemy Nawigacyjne, Materiały wykładowe, Warszawa, 2014.

[10] Prieur F., Exploiting nonlinear propagation in echo sounders and sonar, artykuł prezentowany na

10. Europejskiej konferencji na temat akustyki podwodnej (ECUA), 2010, Istambuł, Turcja.

[11] Rutkowski G., Systemy pozycjonowania i nawigacji podwodnej, Prace Wydziału Nawigacyjnego

Akademii Morskiej w Gdyni, 2005, nr 17, s. 121-135

[12] Salamon R., Systemy Echolokacyjne, Materiały wykładowe, Gdańsk, 2013.

[13] Salmonowicz W., Łączność w niebezpieczeństwie GMDSS, WSM, Szczecin, 2001.

[14] Simmonds A., Wprowadzenie do transmisji danych, WKŁ, Warszawa, 1999.

[15] Wawruch R., Uniwersalny statkowy system automatycznej identyfikacji (AIS), FRWSMwG, Gdy-

nia, 2002.

17/17