ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

Вагущенко Л.Л., Данцевич В.А., Кошевой А.А.

ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ КАРТ

Второе издание, переработанное и дополненное

Одесса - 2000

Ватущенко Л.Л, Лдипевич В.А., Кошевой А.А. Электронные системы отображения навигационных карт. - 2-е изд., перераб. и доп. - Одесса, ОГМА, 2000. - 120 с.

УДК 656.61.052.011.56

Приводятся основные понятия об электронных картах и навигационно-информационных компьютерных системах (ECD1S, ECS) в которых прокладка выполняется на электронных картах. Рассмотрены техническое, информационное, лингвистическое обеспечения навигационных систем с электронными картами, охарактеризованы их функциональные возможности, освещены требования ИМО к ECD1S. Особое внимание уделено ограничениям и недостаткам ECD1S.

Предназначена для учащихся судоводительской специальности морских академий, может быть полезной для судоводителей морских транспортных, рыбопромысловых и научно-исследовательских судов.

Ил. 7, библиогр. 16 назв. Рецензент: Н.Н. Цымбал

Книга одобрена научно-методической комиссией по судовождению Министерства образования и науки Украины.

Сдано в набор 01.11.2000. Подписано к печати 03.11.2000. Формат 60х84 1/16. Усл.печ.л. - 6.7. Бумага офсетная. Гарнитура New Baskerville. Тираж 100 экз.

© - составление, текст, оформление: Л-Л. Вагущенко, ВА. Данцевич, А-А-Кошевой - 2000 г.

Введение

В судовождении все более широкое распространение получают высокоэффективные навигационно-информационные компьютерные системы с электронными картами (ЭК). Среди них выделяют в настоящее время два вида систем: ECDIS (Electronic Chart Display and Information System); ECS (Electronic Chart System).

ECDIS - это навигационно-информационная компьютерная система (НИКС), удовлетворяющая специальным требованиям, что позволяет судоводителям официально использовать ее прокладку на электронной карте вместо прокладки на бумажных картах. Такой статус ECD1S определен правилом V/20 международной конвенции ИМО по безопасности жизни на море (SOLAS-74). Согласно этому правилу, все суда должны быть снабжены приведенными на уровень современности картами, наставлениями для плавания, пособиями до огням, знакам, радиотехническим средствам, извещениями мореплавателям, таблицами приливов и другими специальными публикациями, необходимыми на предстоящий рейс. Требуемые карты могут быть обеспечены также путем их представления на экране ECD1S. Это касается и других необходимых на рейс навигационных пособий, информация которых также может быть отображена на экране ECD1S.

Таким образом, ECDIS может быть использована как эквивалент бумажных навигационных карт и пособий для плавания. Это означает не физическую эквивалентность прокладок на электронной и бумажной картах, а юридическое признание использования ECD1S без применения бумажных карт на район плавания.

Эксплуатационные требования к ECDIS, требования к ее аппаратуре и программному обеспечению определены международными организациями: ИМО - международной морской организацией (IMO -International Maritime Organization), МГО - международной гидрографической организацией (ШО - International Hydrographic Organization), МЭК - международной электротехнической комиссией (IEC - International Electrotechnical Comission).

ECS представляет собой навигационную или навигационно-информациоиную компьютерную систему с электронными картами, не удовлетворяющую в полной мере требованиям к ECD1S, ECS не может быть использована без применения официальных бумажных карт.

В ECDIS реализуются последние достижения в области информационной техники и они обладают обширными возможностями.

Корректура электронных карт в ECDIS может осуществляться автоматически через спутниковые каналы связи и, в частности, через всемирную компьютерную сеть Интернет. Через эту сеть можно заказывать и получать также новые электронные карты и другую навигационную информацию.

В результате применения ECDIS судоводитель на ходовой вахте освобождается от выполнения многих рутинных операций. Его основными функциями становится наблюдение за окружающей обстановкой, контроль ECDIS и других средств судовождения, управление их работой для получения требуемой обстановкой информации, оценка предоставляемой информации и принятие решений по управлению судном. ECDIS способна предоставлять судоводителю в интегрированном виде информацию, характеризующую различные стороны процесса судовождения, что позволяет ему уверенно и обоснованно принимать решения. Применение ECDIS повышает результативность деятельности судоводителя, обеспечивает использование большего объема и номенклатуры данных, увеличивает скорость их обработки, улучшает точность и достоверность результатов, повышает безопасность мореплавания и приводит к росту финансовых показателей работы судна.

Однако не надо забывать и об определенной сложности работы с такими системами, как ECDIS. Эта сложность определяется большим набором решаемых ECDIS задач, требующих многочисленных исходных данных; значительным числом ее управляющих функций; вырабатываемыми ей различного вида сигналами, предупреждениями и сообщениями; одновременной работой со многими навигационными приборами и средствами управления; способностью параллельного решения сразу нескольких задач; концентрированным представлением информации о процессе судовождения и необходимостью правильной ее оценки, и т.д., а также имеемыми погрешностями, ограничениями и недостатками, которые надо постоянно иметь ввиду. Все это требует более высокого интеллектуального уровня подготовки судоводителей. Для работы с ECDIS судоводители должны:

* Знать базовые принципы построения навигационно-информационных компьютерных систем и организацию их данных, функциональные возможности НИКС, принципы решения системных и прикладных задач, способы управления данными, виды ввода, отображения и регистрации информации, типы вырабатываемых системами сигналов, сообщений и предупреждений, и что особенно важно - присущие этим системам ограничения, недостатки и потенциальные опасности использования;

* Уметь работать с ECDIS оборудованием, использовать навигационные и информационные функции, выбирать требуемую обстановкой информацию и объективно оценивать ее, принимать правильные решения на основе получаемой от ECDIS информации;

* Оценивать потенциальные погрешности отображаемых данных, вероятность неправильной их интерпретации и четко представлять опасность переоценки возможностей ECDIS.

1. Электронные карты

В общем плане под электронной картой - ЭК (electronic chart -ЕС) - понимается изображение определенного района Земли в условном виде на экране дисплея или набор данных для построения этого изображения.

1.1. Классификация электронных карт

При рассмотрении вопросов использования ЭК применяется их классификация по различным признакам.

В зависимости от полноты информации, представляемой на карте, ЭК разделяют на полномерные и упрощенные (стилизованные). По нагрузке полномерные навигационные ЭК равноценны официальным бумажным навигационным картам и содержат всю картографическую информацию, необходимую для безопасного и эффективного судовождения.

Нагрузка упрощенных электронных карт недостаточна для целей безопасного плавания. Для использования полномерных карт требуются обладающие широкими возможностями средства хранения и отображения информации, которыми ряд автоматизированных навигационных систем не обладает. В таких системах могут использоваться ЭК в упрощенном виде, который позволяет реализовывать имеемая аппаратура. Схематическое изображение на экране дисплея местности в определенной проекции, не эквивалентное бумажной навигационной карте и не удовлетворяющее требованиям к безопасности мореплавания, обычно называется упрощенной (стилизованной) электронной картой.

Упрощенные ЭК получаются самыми разными способами. Для ввода с бумажных карт в память ЭВМ данных для стилизованных карт в ряде автоматизированных навигационных систем используются специальные кодирующие планшеты - дигитайзеры (chart digitizer).

В зависимости от метода цифрового представления информации карты ЭК делят на растровые и векторные.

В растровых картах (Rastr electronic navigational chart - RNC) используется метод цифрового представления изображения карты в виде матрицы точек (пикселей). При таком представлении карты сведений об отдельных картографических объектах в памяти нет. Исходной для получения данных растровых карт служит информация официальных бумажных карт. Растровые карты получаются сканированием основы и раздельно цветного изображения бумажных карт. За основу растровых ЭК приняты печатные платы для обычных бумажных карт. Снятая с основы карта является копией бумажной. Сканерная технология производства растровых карт обеспечила в начале 90-х годов быстрое производство мировой коллекции этих карт.

В векторных ЭК (Vector electronic navigational chart -VENC) применяется метод цифрового представления элементов карты с помощью точек, линий, контуров, заданных своими координатами и соответствующим кодом. При таком методе представления информация карты хранится в памяти в виде последовательности записей, характеризующих каждый имеемый на карте картографический объект. Картографическим объектом (КО) называется реальный объект или явление, изображаемое на карте в условном виде; или описание или группа описаний картографических характеристик реального объекта или явления в цифровом виде для отображения его на ЭК.

Все объекты векторной электронной карты обычно распределяются по определенным тематическим уровням, называемых слоями карты. Такими слоями, например, могут быть: навигационные средства, глубины, качество данных, характеристики и т.д. Разделение нагрузки карты на слои позволяет системе, отображающей ЭК, управлять видимостью этих слоев.

Количество информационных слоев векторной ЭК может быть различным. Требуется их иметь, по крайней мере, три: базовая информация, дополнение базовой информации до стандартной, вся другая информация. Выделение таких слоев позволяет определить три вида нагрузки карты: базовую, стандартную и полную.

Базовая нагрузка - означает уровень информации карты, который не может быть удален с дисплея. Она содержит информацию, которая требуется всегда, во всех географических районах и при любых обстоятельствах. Это не означает, что ее достаточно для безопасного судовождения. Базовая нагрузка включает: береговую черту (для полной воды); выбранную капитаном для собственного судна безопасную изобату; в ограниченной безопасной изобатой области отдельные подводные опасности с глубинами, меньшими безопасной; в пределах этой же области отдельные опасности, такие как мосты, линии электропередачи, включая буи и знаки, которые используются или не используются как средства навигации; системы движения; масштаб; вид ориентации карты и режим дисплея; единицы глубин и высот.

Стандартная нагрузка - это минимальный набор данных, обеспечивающих безопасность при прокладке и планировании пути. Стандартная нагрузка включает базовую, а также линии осыхания, стационарные и плавучие средства навигации, границы фарватеров, каналов, приметные визуальные и радиолокационные объекты, запретные и ограниченные районы, и некоторые другие сведения.

Полная нагрузка состоит из стандартной и всей другой информации. Вся другая информация включает: значения глубин, подводные кабели и трубопроводы, маршруты паромов, детали всех отдельных опасностей, детали навигационных средств, содержание предупреждений мореплавателям, дату издания ЭК, горизонтальный геодезический датум, ноль глубин, магнитное склонение, географические названия и т.д.

Изображение векторной карты получается путем преобразования цифровых данных картографических объектов в графическое изображение карты. Построение элементов карты производится с помощью точек, прямых линий (векторов), ломаных линий и контуров по координатам точек, представляющих метрику картографических объектов.

Векторные ЭК до недавнего времени создавались в основном путем съема их цифровых данных с бумажных карт с помощью дигитайзерных технологий. В этих технологиях значительное место занимает ручной труд, что приводило к существенным затратам времени на производство векторных карт. В результате долгое время не было полной коллекции векторных карт на весь Мировой океан. В настоящее время для производства векторных карт созданы современные автоматические сканерные технологии, выполняющие «векторизацию» бумажной карты в требуемом формате и контроль качества получаемых данных. В результате скорость создания векторных электронных карт значительно увеличилась.

Кроме официальных бумажных карт, исходной информацией для образования данных векторных ЭК могут служить непосредственно данные геодезической съемки местности, а также результаты аэро и космической фотометрической съемки районов Земли. Это имеет большое значение по следующим причинам:

* Обеспечивается более высокая точность данных карты, так как исходные данные свободны от погрешностей графического их представления на бумажной карте.

* Электронные карты могут создаваться по результатам новых высокоточных съемок местности, не ожидая, когда будут получены по этим результатам бумажные карты.

Дело в том, что съемка многих районов Земли выполнена давно и ее точность не отвечает современным требованиям. Это обстоятельство снижает эффективность спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС и, соответственно, систем с ЭК. Поэтому в настоящее время производятся обширные работы по уточнению положения картографических объектов в системе WGS84 для многих районов Земли. Эта работа рассчитана на несколько лет. Получаемые при выполнении этой работы результаты могут непосредственно использоваться для создания новых высокоточных ЭК.

В зависимости от юридического статуса ЭК подразделяются на официальные и неофициальные карты. Официальными считаются ЭК, выпускаемые государственными гидрографическими организациями. Все другие ЭК относятся к неофициальным картам. Официальные векторные карты, например, создаются Главным управлением навигации и океанографии (ГУНиО) России. Официальные растровые электронные карты (RNC) производятся, например, специальной службой Британского Адмиралтейства (ARCS -Admiralty Raster Chart Strvice), гидрографической службой США (NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration).

В зависимости от вида навигационной системы, в которой ЭК представляются, электронные карты делятся на ecdis-карты и ecs-карты. Ecdis-карты - это официальные векторные электронные навигационные карты, данные которых стандартизованны по содержанию, структуре, действующему формату обмена картографической информацией и полностью удовлетворяют специальным требованиям ИМО и МГО. Они выпускаются для использования с ECDIS. Ecdis-карты в документах ИМО названы Electronic navigational charts - ENC. В основу использования ecdis-карт в судовождении положены следующие принципы:

* точность и полнота ЭК должна быть не ниже бумажных навигационных карт;

* Данные карты и корректуры к ней должны быть представлены в официально принятых ШО стандартных форматах;

* Государственные гидрографические службы должны нести полную ответственность за содержание ЭК и корректур к ним;

* Данные карт и официальных корректур должны храниться в памяти системы в неизменяемом виде;

* размножение, регистрация и распространение ЭК должны соответствовать международным правилам распространения программного обеспечения.

К Ecs-картам относятся: растровые карты, упрощенные ЭК, выпускаемые частными фирмами полномерные векторные ЭК, векторные карты в отличном от действующего формате.

Классификация ЭК в зависимости от масштаба. Как известно, подробность нагрузки карт зависит от их масштаба. Масштаб электронной карты, которому соответствует ее нагрузка, называется оригинальным масштабом ЭК. В зависимости от оригинального масштаба ЭК делятся на:

* карту мира (World) - 1:2500001 и меньше;

* генеральные карты (General) - 1:300001 - 1:2500000;

* прибрежные карты (Coastal) - 1:80001 - 1:300000;

* подходные карты (Approach)- 1:40001 - 1:80000;

* гавани (Harbour)-1:10001-1:40000;

* планы (Plan) -1:10000 и крупнее. Отметим, что традиционно бумажные отечественные навигационные морские карты в зависимости от масштаба подразделяются на следующие виды:

* генеральные - 1:1000000 - 1:5000000;

* путевые - 1:100000 - 1:500000;

* частные - 1:25000 - 1:50000;

* планы - 1:25000 и крупнее.

Классификация ЭК в зависимости от использования в навигационной системе. Среди векторных карт различают основные и системные карты. Основной называют карту, данные которой размещены в отдельном файле, поставляемом государственной или частной организацией. Данные основной карты не могут быть изменены на судне.

Системная электронная карта (System electronic navigational chart - SENC) - это набор данных для отображения откорректированной навигационной карты, представленный во внутреннем формате системы. Он является результатом преобразования системой информации основной ЭК с учетом корректур и данных, добавленных мореплавателем. Это тот набор данных, который составляет дисплейный файл системы для отображения откорректированной навигационной карты и выполнения с ее помощью навигационных функций. SENC может содержать информацию и от дополнительных источников.

1.2 Геодезическая основа отсчета координат ЭК

В общем случае объект на карте характеризуется горизонтальными координатами (широта, долгота) и вертикальной координатой (высота или глубина). В основе отсчета горизонтальных координат лежит та или иная геодезическая система, называемая также горизонтальным геодезическим вотумом. Основой для отсчета вертикальных координат служит уровень моря, принимаемый за ноль глубин. Этот уровень называют вертикальным геодезическим датумом либо приливным уровнем.

Горизонтальный геодезический датум (исходная геодезическая дата) включает в себя геодезические координаты исходного пункта опорной геодезической сети, геодезический азимут направления на один из смежных пунктов, определенные астрономическим путем, и высоту геоида в этом пункте над поверхностью принятого референц-эллипсоида. Референц-эллипсоидом называют Земной эллипсоид определенных размеров, являющийся вспомогательной математической поверхностью, к которой относят результаты всех геодезических измерений на поверхности Земли, на которую проектируют все пункты опорной геодезической сети и к которой относят топографические и гидрографические съемки и составляемые по ним карты земной поверхности.

Система координат, полученная в результате уравнивания опорной геодезической сети на референц-эллипсоиде, и представляет собой ту или иную геодезическую систему координат либо горизонтальный геодезический датум. Исходными пунктами геодезических датумов часто являются определенные точки астрономических обсерваторий, геодезические координаты которых широту и долготу определяют путем астрономических наблюдений, освобожденных от влияния уклонения отвеса.

Различают локальные, региональные и всемирные геодезические системы координат. Локальные датумы являются геодезическими системами небольших участков земной поверхности. В качестве примера можно привести датум "Bissau Base North West and Pillar".

Региональные геодезические системы относятся к обширным районам Земли. В качестве примеров таких систем координат можно назвать: Советскую 1942 года (Pulkovo 1942), Европейский датум 1950 года (ED50), Британскую систему 1936 г. Токийский датум. Индийский датум. Новый североамериканский датум 1983 г, (NAD83-- New North American Datum of 1983). Следует отметить, что если горизонтальный датум относится к территории государства, то он называется национальным.

Всемирный датум - это геодезическая система координат для всего земного шара. Примерами всемирных датумов являются американские системы WGS72, WGS84 и российская система П390 (SGS90 - Soviet Geocentric Coordinate System 1990).

Создание геодезических систем координат обширных районов земной поверхности зависит от возможностей технических средств, используемых при геодезической съемке. Когда эти средства были только оптическими, опорная геодезическая сеть могла включать только пункты, три из которых в любом месте находятся в зоне прямой видимости. Применение в геодезических работах радиотехнических систем высокой точности, таких как РСВТ, Decca, Hifix и др. дало возможность значительно увеличить расстояние между пунктами. Появление космической техники для точного определения положения на поверхности Земли привело к возможности создания всемирной геодезической системы.

Полученные до 1930 года горизонтальные геодезические датумы были локальными. С 1930 и до 1950 года в разных странах были проведены обширные геодезические работы по созданию региональных датумов. Начиная с пятидесятых годов, региональные геодезические системы стали не удовлетворять целям применения появившегося в те годы вооружения, которое требовало геодезическую систему отсчета мирового масштаба. Появление навигационной спутниковой системы «Транзит» позволило в I960 г. Министерству Обороны США создать путем объединения на основе спутниковых наблюдений различных региональных геодезических сетей Мировую геодезическую систему (Word Geodetic System of 1960 - WGS60). Эта система уточнялась в 1966, 1972, 1984 году. В настоящее время используется система координат WGS84, которая получила широкое распространение во всем мире. Она совпадает с NAD83. Большая а и малая b полуоси референц-эллипсоида WGS84 соответственно равны:

а=6378137.00 м; б =6356752.31 м.

WGS84 принята за стандартную при расчетах положения определяющихся объектов в GPS. В WGS84 рекомендуется составлять официальные векторные ЭК. Расчеты кинематических параметров объектов в ГЛОНАСС ведутся в советской мировой геодезической системе П390.

Морские навигационные карты, основанные на съемках разных государственных гидрографических служб и организаций, имеют разные геодезические системы отсчета координат. Список полученных в разные годы датумов, которые использовались при составлении карт Земной поверхности, приведен в приложении 2. В приложении 3 перечислены геодезические системы навигационных карт, входящих в коллекцию Британского адмиралтейства.

Очень важно при судовождении знать, что координаты одного и того же объекта, отнесенные к разным геодезическим датумам, отличаются. Игнорирование этого обстоятельства может привести к аварии. Разность между положением объектов в разных геодезических системах может превышать несколько сот метров. Для современных геодезических систем она невелика. Разность между положением объектов в системах WGS84 и П390 не превышает 15 метров, а между положением в WGS84 и WGS72 - 17 м. Между тем разность между положением в системе WGS84 и в системе отсчета координат карты одного из районов в Эгейском море, основанной ,на съемке 1862 г, доходит до 2-5 миль. Из применяемых в настоящее время карт, съемка которых проводилась в далеком прошлом, большая часть относится к островам Юго-восточной Азии. Наибольшая зафиксированная разность между положением в WGS84 и положением на карте, основанной на старой съемке, составляет 7 миль.

Информация о горизонтальном датуме ЭК имеется для большинства навигационных карт. Однако для ряда карт, основанных на съемке, проведенной в далеком прошлом, горизонтальный датум неизвестен. На бумажных картах информация о горизонтальном датуме приводится в заголовке карты. Начиная с 1982 г., при переиздании карт многие гидрографические службы добавляют на картах поправки по широте и долготе для приведения к карте данных спутниковых определений в системе WGS. Запись об этом "Satellite-Derived Positions" обычно располагается около заголовка карты. Следует отметить, что многие приемоиндикаторы спутниковых систем определений места имеют возможность представлять данные в разных геодезических системах.

Учитывая, что спутниковая навигационная система GPS, которая работает в WGS84, стала основной в судовождении, гидрографические службы разных стран начали работу по приведению выпускаемых ими карт к этому датуму. Однако, из-за отсутствия современной съемки ряда районов Земли некоторые карты не могут быть представлены в системе WGS84. В этом случае для карты приводится информация о невозможности приведения ее к WGS84: "Adjustments to WGS cannot be determined for this chart" или "The diiferences between satellite-derived positions and positions on this chart cannot be determined", и что поправки могут быть значительными - "Differences may be significant to navigation".

Вертикальные датумы морских навигационных карт также отличаются. Уровень, принимаемый при составлении карт за ноль глубин в разных странах, установлен их властями и не является единообразным. Сведения о принятом для карты нуле глубин приведены для большинства навигационных карт. Только на картах, составленных по результатам съемок, выполненных в далеком прошлом, особенно в районах, где приливные колебания невелики, уровень, принятый за ноль глубин, может быть неизвестен.

1.3 Разграфка электронных карт

Разделение земной поверхности на отдельные карты называется разграфкой или нарезкой. Для ЭК используют два вида разграфки: разграфку гидрографических служб, применяемую для нарезки бумажных карт; и равномерную разграфку, предложенную IHO.

Характерной чертой разграфки гидрографических служб является перекрывание соседними картами определенной акватории на их стыке и зависимость шага разграфки от широты, что обеспечивает приблизительное выравнивание площадей поверхности карт на разных широтах. Это в определенной степени способствует в случае равномерного распределения картографической нагрузки выравниванию информационных объемов карт. Когда для ЭК используется разграфка гидрографических служб, то обычно нумерация ЭК соответствует нумерации соответствующих бумажных морских навигационных карт.

В равномерной разграфке, предложенной IHO, в качестве разделяющих карты линий используются отрезки меридианов и параллелей с шагом, одинаковым по угловой величине для широты и долготы. Соседние карты при такой разграфке стыкуются между собой без перекрытия. Параметры разграфки приняты IHO для планов - 7.5'; карт гаваней - 15'; карт подходов - 30'; карт побережья - 1°; генеральных карт - 5°; карты мира - 10°. Карте каждого района по определенной системе присваивается номер (идентификатор), по которому однозначно определяется место этого района на карте мира.

Кроме названных, существуют разграфки, использованные частными фирмами при производстве векторных карт. В качестве примера можно указать равномерную разграфку норвежской фирмы «С-Мар», карты которой имеют размер 4х4°, стыкуются друг с другом без перекрытия и обеспечивают сплошное покрытие акваторий всего Мирового океана.

1.4 Проекции морских навигационных электронных карт

Морские навигационные ЭК в подавляющем большинстве случаев отображаются в проекции Меркатора. Меркаторская проекция - это равноугольная цилиндрическая проекция. Различают нормальную, поперечную и наклонную меркаторские проекции. Из них для представления навигационных ЭК в основном применяются две первые. С точки зрения судовождения главными достоинствами меркаторских проекций являются: возможность измерять натуральные, неискаженные углы, и зависимость частных масштабов только от положения точки, но не от направления измеряемой по небольшим частям искомой длины.

Нормальная проекция Меркатора (НПМ) используется для построения ЭК в диапазоне широт от 0 до 85°. Околополюсные районы в ней не могут быть отображены. Наибольшим достоинством НПМ для целей судовождения является представление локсодромии прямой линией.

НПМ получается проектированием земного эллипсоида на боковую поверхность цилиндра, касательного к эллипсоиду по линии экватора (рис. 1.1,а). Ось этого цилиндра совпадает с осью Земли. Затем боковая поверхность цилиндра разрезается по образующей и разворачивается на плоскость (рис. 1.1,6).

В нормальной меркаторской проекции меридианы являются прямыми параллельными линиями, перпендикулярными к экватору. На поверхности цилиндра проекции меридианов проходят через точки касания земных меридианов с цилиндром, перпендикулярно к плоскости экватора. Расстояние Х в НПМ между двумя меридианами с долготами , равно

; (1.1)

где а - большая полуось земного эллипсоида.

Рис. 1.1. К пояснению нормальной проекции Меркатора.

Земные параллели в НПМ также прямые линии, перпендикулярные к меридианам. Ввиду того, что на земном эллипсоиде меридианы сходятся с приближением к полюсам, с ростом широты длина земной параллели между двумя меридианами становится меньше. Это уменьшение пропорционально уменьшению радиуса параллели r(), который с учетом сжатия эллипсоида определяется формулой:

(1.2)

где е-эксцентриситет Земного эллипсоида.

В результате, масштаб проекции по параллели в НПМ увеличивается с ростом широты:

(1.3)

Приближенно можно считать изменение пропорциональным секансу широты.

В равноугольной проекции в каждой точке масштаб по параллели

равен частному масштабу по любому направлению, естественно, и масштабу по меридиану . В НПМ это достигается, когда расстояние от проекции экватора до проекции параллели с широтой ц на боковой поверхности цилиндра получается по формуле

; (1.4)

где

. (1.5)

Следует заметить, что НПМ не является перспективной проекцией, так как элементы Земли не проектируются на боковую поверхность цилиндра с помощью лучей, исходящих из одной точки.

В НПМ расстояние Y по меридиану от экватора до параллели с широтой ц, выраженное в экваториальных милях, называется меридиональной частью (МЧ) этой параллели. Расстояние ?Y между двумя параллелями с широтами ц,ц₀, (ро называется разностью меридиональных частей (РМЧ). Ввиду увеличения масштаба с широтой величина РМЧ, соответствующая одинаковому значению разности широт, с ростом широты в НПМ увеличивается (рис. 1.1,б).

Для построения на экране дисплея карты в НПМ необходимо найти прямоугольные экранные координаты картографических объектов. Обозначим эти координаты х, у. Примем за их начало центр экранной области. Учитывая (1.1)-(1.5), можно найти следующие формулы для расчета значений х, у элементов ориентированной по норду карты:

(1.6)

где , - параллель и меридиан, проходящие через центр экрана дисплея;

Мо - масштаб по параллели (масштаб карты).

При ориентации карты "по курсу" прямоугольные экранные координаты картографических объектов рассчитываются по формулам

,

где , - экранные координаты объекта при ориентации карты по курсу.

В навигационно-информационных компьютерных системах для расчета экранных координат х, у применяются и приближенные формулы, обеспечивающие погрешность вычислений, которая не превышает половины размера пиксела. В этом случае ЭК, построенные по результатам расчета положения элементов карты по точным и приближенным формулам, являются идентичными. В качестве упрощенных приближений к меркаторской проекции используются линейное и таблично-интерполяционное.

Линейное приближение к нормальной проекции Меркатора применяется при построении крупномасштабных карт. В его основе лежит представление о Земле как о шаре с радиусом R, при котором одна минута дуги меридиана равняется одной морской миле. НПМ при таком условии получается проектированием точек Земного шара на боковую поверхность цилиндра с помощью лучей (линий), исходящих из центра Земли. В этом случае при ориентации ЭК по норду расчет экранных координат элементов карты производится по известным приближенным формулам

. (1.7)

Таблично-интерполяционное приближение к проекции Меркатора используется при отображении мелкомасштабных карт, когда линейное приближение не обеспечивает требуемую точность. Сущность этого метода состоит в следующем. В картографической базе данных в таблице опорных точек НПМ помещаются табличные значения широт (порядка 300-500 на интервал 0-85°) и соответствующие им рассчитанные по строгим формулам значения и .

Значения экранных координат элементов карты рассчитываются по формулам (1.6), в которых значение , находится линейной интерполяцией между значениями , а значения , -интерполяцией между U_k. При линейной интерполяции значения , , соответствующие широте , получаются по формулам

,

где

; .

Поперечная проекция Меркатора (ППМ) применяется для создания ЭК околополюсных районов Земли, в диапазоне широт от 80 до 90°. Земной эллипсоид в этом случае проектируется на поверхность цилиндра, касательного к эллипсоиду по меридиану. Ось такого цилиндра перпендикулярна оси Земли.

Рис. 1.2. Вид меридианов и параллелей в поперечной проекции Меркатора.

Если принять касательный к цилиндру земной меридиан за фиктивный экватор Земли, полюса этого экватора - за фиктивные полюса Земли, проходящие через фиктивные полюса большие круги - за фиктивные меридианы, а серию параллельных фиктивному экватору малых кругов на поверхности Земли - за фиктивные параллели, то свойства ППМ такой модели Земли будут аналогичны свойствам НПМ. Фиктивные меридианы и параллели на карте в ППМ будут взаимно перпендикулярными системами параллельных линий, а прямая линия будет фиктивной локсодромией, пересекающей фиктивные меридианы под одним углом.

Что касается действительных меридианов и параллелей, то на карте в ППМ они будут кривыми линиями (рис. 1.2), как и действительная локсодромия. На картах околополюсных районов в ППМ меридианы близки к радиально расходящимся от полюса прямым линиям, а параллели - к концентрическим окружностям.

Область минимальных искажений Земной поверхности на карте в ППМ лежит в узкой полосе, центральной линией которой является фиктивный экватор.

1.5 Формат для обмена картографической информацией

Для унификации использования данных векторных ЭК при выполнении с ними различных работ международными требованиями предусматривается представление их на носителях информации в специальных форматах. Формат - это спецификация последовательности и видов представления элементов информации (чисел, текста) на носителе.

Основным форматом для обмена официальной картографической информацией между Гидрографическими организациями, производителями ECDIS, мореплавателями в настоящее время является формат S57 (версия 3), разработанный Комитетом по обмену цифровыми данными ШО (Comitee of exchange of digital data - CEDD). Описание этого формата содержится в специальной публикацией МГО S-57: ЩО Transfer Standard for Digital Hydrographic Data, edition \Nov 1996 («Стандарт МГО для обмена цифровыми гидрографическими данными»).

Специальная публикация МГО S-57 состоит из двух частей: А и В. Часть А содержит каталог картографических объектов (Object Cataloge) - исчерпывающий список находящихся в обращении определенных классов картографических объектов, соответствующих им характеристик (атрибутов) и полный перечень значений атрибутов. Здесь под классом объектов подразумевается определенная группа объектов, которые считаются эквивалентными друг другу, например, плавучие маяки разных видов. В части В приведен формат S-57. Он описывает структуру данных и формат, который должен быть использован для обмена ENC-данными между Гидрографическими организациями, производителями ECDIS, мореплавателями и другими пользователями.

Следует подчеркнуть, что формат S-57 создан специально для обмена цифровой картографической информацией, а не для представления карт на экране дисплея компьютера. Ввиду определенных неудобств работы с этим форматом внутри ECDIS при выполнении ее операций, производители ECDIS свободны создавать свои внутрисистемные форматы, наиболее соответствующие задачам, решаемым конкретной ECDIS. Однако в любом случае ECDIS должна иметь возможность приема (импорта) данных от гидрографических служб в формате S-57 и преобразования (конвертации) их во внутренний формат, который согласно специальной публикации ИМО должен сохранять логическую структуру и состав информации S-57. Цифровые данные карты, представленные во внутреннем формате ECDIS, называются системными данными электронной карты.

Формат S-57 обладает большими возможностями, он совместим с другими средствами обмена данными и не ориентирован на определенную разграфку (нарезку) карт. Формат S-57 сочетает в себе свойства гибкости и компактности! Он позволяет поддерживать несколько уровней обмена цифровыми данными, представлять место объекта в географической или прямоугольной системах координат с различными единицами и мерами точности, строить карты в различных проекциях, хранить описательную информацию для наборов данных, добавлять новые записи.

Следует отметить, что вторая версия формата S57 называлась DX90. Для неофициальных ЭК требования S-57 не являются обязательными. Электронные карты начали производиться частными фирмами и гидрографическими организациями еще до введения требований к ECDIS. Каяодая из этих организаций использовала свой определенный формат. Фирма "С-Мар" представляет свои ЭК в совместимом с S-57 формате СМ93, Южно-Африканская гидрография при создании своих первых векторных ЭК использовала формат IFF, Финская гидрография создала свои первые карты в формате FINGIS, Канадская гидрографическая служба - в формате ALL. Крупный производитель векторных ЭК фирма «Транзас Марин» производит карты в своем, совместимом с S-57 цифровом формате.

Для обмена картографической информацией по каналам телесвязи разработан специальный формат MACDIF (Map and chart data inter change format).

1.6 Отображение ЭК на экране дисплея

Для повышения безопасности мореплавания и обеспечения возможности быстрого принятия правильных и обоснованных решений судоводителю в наглядном и легко интерпретируемом виде должна представляться информация, характеризующая все стороны процесса судовождения. Основой такой интегрированной информации является электронная карта.

Касаясь отображения самой ЭК, следует отметить следующее. При построении навигационных ЭК на экране дисплея должно отдаваться предпочтение проекции Меркатора, нормальной (НПМ) для широт От-85⁰ или поперечной (ППМ) - 80-90°, наиболее отвечающим целям судовождения. За главную параллель карты обычно принимается параллель, проходящая через центр экрана.

Содержание и вид представляемой на ecdis-карте информации определяется Специальной публикацией МГО S-52: Specification for Chart Content and Display of ECDIS, Edition 5, Dec 1996 ("Спецификация для данных карт и отображаемой информации для ECDIS."). Эта публикация содержит спецификации и руководство относительно выпуска, корректуры и отображения ENC в ECDIS. В приложении 2 к S-52: Provisional Colour & Symbol Specification for ECDIS ("Временная спецификация цветов и символов для ECDIS") определены символы, цвета, цветовые планы, требования к дисплеям, справочные таблицы и правила, по , которым каждый класс картографических объектов с учетом их атрибутов представляется на экране дисплея.

Для удобства пользования ЭК должны отображаться как в оригинальном масштабе, которому соответствуют ее данные, так и в других масштабах. Масштаб, в котором карта представляется на экране дисплея, носит название масштаба ее отображения. Отображение на экране дисплея карты в более крупном масштабе, чем оригинальный, называется перемасштабированием (overscale). Следует иметь ввиду, что при перемасштабировании карта может оказаться недогруженной, т.е. недостаточно подробной, поэтому система должна. сообщать оператору о случаях перемасштабирования.

Представление на экране дисплея карты в масштабе меньшем оригинального называется недомасштабированием (underseale). Если не принимаются специальные меры, то при недомасштабировании карта может оказаться перегруженной информацией.

С изменением масштаба ЭК связаны понятия наибольшего и наименьшего ее масштабов отображения. Наибольший (наименьший) масштаб ЭК - это значение самого крупного (мелкого) масштаба, в котором в системе может представляться определенная карта.

Для того, чтобы избежать перегруженности карты при недомасшгабировании, применяются операции генерализации. Генерализация картографической информации (Generalization) - это процедура, с помощью которой при недомасшгабировании отдельные КО показываются упрощенно, либо не отображаются в соответствии с используемым масштабом, чтобы избежать перегруженности карты. При генерализации в соответствии с изменением масштаба из цифровых данных карты требуется произвести отбор главного и закрепить в виде производной карты. Сложность учета ряда факторов, влияющих на генерализацию, требует непосредственного участия картографа в выполнении этой процедуры, поэтому автоматически в полном объеме генерализация пока не может быть реализована.

Для оптимизации содержания представляемой на карте информации в соответствии с условиями плавания используется операция селекции КО, позволяющая путем включения/отключения определенных видов КО изменять нагрузку отображаемой карты. Селекция картографических объектов (Selection) - это рациональный избирательный выбор для отображения картографических объектов с отличительными характеристиками принадлежности к одному типу.

При отображении ЭК в различных условиях освещенности должны использоваться различные палитры цветов (ясный день, пасмурный день, сумерки, ночь), чтобы не ухудшать способность судоводителя вести наблюдение за окружающей обстановкой.

Помимо представления картографической информации должна быть возможность отображения на карте данных, характеризующих процесс судовождения: текущего места собственного судна и траектории его движения; планируемого маршрута, оперативной информации, вводимой с пульта оператором; безопасной изобаты собственного судна; условных знаков сопровождаемых АРП судов и векторов их скорости либо данных об элементах движения судов, получаемых от транспондера Автоматической идентификационной системы и ряда других данных. Для удобства измерений и возможности выполнения различных функций на карте должен отображаться курсор с географическими координатами.

Безопасная изобата собственного судна (own ship's safety contour) - это изобата, соответствующая наименьшей безопасной, по мнению капитана, глубине для его судна при данной осадке. Значение этой глубины вводится в память системы судоводителем, служит для отличия на дисплее опасных вод от безопасных и применяется для выработки сигнала об опасности посадки на мель.

Знак собственного судна в некоторых системах может выбираться в виде выраженного в масштабе его контура либо символом (own ship's symbol). Отображение судна выраженным в масштабе в соответствии с максимальной длиной и шириной контуром корпуса производится при отображении карты в крупном масштабе и используется, чтобы оценивать на дисплее свободное пространство при плавании в узостях и по фарватерам и расстояние до опасностей. Символ собственного судна - это условный не обязательно в виде "кораблика" знак, который предназначен для указания и простого различения на карте места собственного судна.

1.7 Корректура электронных карт

Для поддержания ЭК на уровне современности предусмотрены операции по их обновлению (корректуре). Как известно, различают корректуры официальные, источником которых являются гидрографические службы; и местные, поступающие от авторитетных местных служб (береговой охраны, лоцманской службы и т.д.). Официальные корректуры могут быть следующими: локальные постоянные или временные (с указанием срока действия), корректуры для добавления, удаления, замещения КО или их атрибутов; пространственные корректуры для полной замены одной или нескольких карт. Вопросы корректуры ЭК рассмотрены в Приложении 1 S-52: «Report of the IHO (СОЕ) Working Group on Updating the Electronic Chart» 1^st Edition, June 1990.(«Отчет рабочей группы МГО по корректуре электронных карт»).

При организации корректуры электронных карт, руководствовались следующими положениями:

- обновлению (Update) должна подвергаться системная ЭК, данные основной электронной карты следует сохранять в неизменном виде;

- корректуры должны быть стандартизованы по структуре, системе классификации и кодирования; формат передачи данных должен соответствовать формату S-57, v.3;

- обновление ЭК должно включать использование не только постоянных, временных и предварительных Извещений мореплавателям, но также относящихся к карте навигационных и метеорологических предупреждений Navarea и Navtex;

- текстовую часть информации по корректуре ЭК необходимо подготавливать на английском языке;

- вносимая корректура не должна ухудшать электронную карту;

- сведения о внесенной корректуре следует сохранять в памяти системы и отображать по запросу оператора;

- ответственность национальных гидрографических организаций за корректуры должна быть эквивалентной той ответственности, которую они несут по корректуре бумажных навигационных карт.

Все методы корректуры ЭК разделяются на три группы: ручная, полуавтоматическая, автоматическая. Ручное обновление ЭК предполагает ввод корректурных данных оператором с пульта с использованием специальных программных средств, облегчающих выполнение этой задачи. При полуавтоматической корректуре действия оператора ограничиваются установкой носителя корректурной информации (дискеты, оптического диска) в считывающее устройство. Автоматическая корректура не требует вмешательства оператора при приеме и записи в память корректурных данных. Она осуществляется по каналам мобильной или спутниковой связи. Для ее передачи используется обычно электронная почта всемирной компьютерной сети Интернет.

При ручной корректуре требуется только, чтобы корректурная информация была понятна оператору. Информация по корректуре в этом случае может печататься в традиционном для ИМ виде. При ручной корректуре ввод данных производится оператором с помощью специального языка, в котором определен формат ввода и операции корректур. Набор таких операций может включать в себя: перенос КО; редактирование характеристик КО; удаление КО либо его характеристики; включение КО либо его характеристики; переименование объектов.

Полуавтоматический способ корректуры ЭК применяется, когда судовой компьютер не имеет адреса электронной почты, или имеет его, но выход на этот адрес затруднен. В этом случае используется два пути доставки Извещений мореплавателям. В первом корректурная информация в форматированном виде поставляется по почте на дискетах (дисках) в порты, какие укажет судоводитель. Во втором случае эта информация доставляется через судового агента в порту. Перед заходом в порт судоводитель формирует запрос на получение Извещений мореплавателям и записывает его на дискету. С приходом в порт эта дискета передается судовому агенту. Судовой агент со своего офисного компьютера отправляет полученный запрос, используя электронную почту. Обычно время обработки запроса организацией, поставляющей электронные Извещения, не превышает трех часов. Получив ответ, агент записывает его на дискету и передает на судно. На судне корректурная информация с дискеты загружается в базу данных системы с ЭК.

Наиболее целесообразным режимом обновления ЭК считается автоматическая корректура. В этом случае пользователь должен быть подключен к электронной почте и оборудован современными средствами телекоммуникации: спутниковой или мобильной связью. Корректурная информация в форматированном виде направляется гидрографической организацией по электронному адресу судна. Получение корректурной информации происходит автоматически после проверки содержимого почтового ящика. При подключении берегового телефона на стоянке в порту появляется также возможность получения корректурной информации через E-mail по телефонной линии.

При вводе корректур должны применяться методы защиты и контроля целостности получаемой информации. Принимаемая корректурная информация должна регистрироваться. Система должна сообщать оператору о полученной корректурной информации, а также о номерах пропущенных извещений.

Обычно гидрографическая организация, поставляющая электронные Извещения мореплавателям по электронной почте, предоставляет два вида услуг.

Первый вид услуг - регулярная доставка еженедельных выпусков. Судоводитель должен подписаться на предоставление ему такой услуги. После этого гидрографическая организация регулярно по электронному адресу судна будет пересылать форматированные извещения мореплавателям, которые автоматически загружаются в память навигационно-информационной системы.

Второй вид услуг - это отсылка корректурной информации по запросам клиентов. Возможны случаи, когда по той или иной причине еженедельный выпуск извещений не доходит до потребителя и требуется его повторная отправка. Кроме этого, может быть ситуация, что пользователь не подписался на еженедельные выпуски ИМ, но желает получить некоторые из них или только часть еженедельного выпуска ИМ, относящуюся к району его плавания. Для таких ситуаций предусматривается отсылка информации по запросам клиентов на получение или повторную доставку еженедельного выпуска, или только некоторых ИМ, относящихся к перечисленным в запросе клиентов публикациям и номерам карт. Отсылаемые форматированные сообщения автоматически загружаются в память системы.

2. Понятие о навигационно-информационных компьютерных системах

2.1 НИКС как центральная система автоматизированных комплексов судовождения

2.1.1 Структура и назначение АКС

Электронные навигационно-информационные компьютерные системы являются центральной основной частью современных автоматизированных комплексов судовождения (АКС). Автоматизированный комплекс судовождения представляет собой интегрированную систему, выполняющую различные функции судовождения и контроля его безопасности и содержащую средства информационной поддержки решений судоводителя. Современные АКС называются интегрированными мостиками (IBS - Integrated bridge systems).