Анализ точности построения и использования цифровой модели дна в задачах навигации по полю глубин

докладов 63-й международной молодежной научно-технической конференции Молодежь. Наука. Инновации. МГУ им. Адм. Г. И. Невельского. Владивосток. 2015.

2. Царик Р. С. Комплексный подход в обеспечении безопасности морских контейнерных перевозок // Сборник докладов Форума «Молодые ученые транспортной отрасли». Московский университет путей сообщения (МИИТ). Москва. 2015 г. - 157 с.

3. Царик Р. С., Акмайкин Д. А. и др. Управление рисками и снижение аварийности в морских контейнерных перевозках // Научный информационный сборник. Транспорт. Наука Техника. Управление, Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ). Москва. № 2, 2015. С. 37-42.

4. Царик Р. С., Акмайкин Д. А. Система оперативного контроля грузовых операций контейнеровоза (СОКГОК) // Вестник Государственного Морского Университета имени адмирала Ф. Ф.

Ушакова. - 2015. С 50-55.

5. World Shipping Council, International chamber of shipping. Safe transport of container by sea Guidelines on best practice // Marisec Publications, London. - 2008. 81 стр. ТРД ПГППРТ

_6 Svein Kristiansen Maritime transportation Safety management

and risk analysis // Elsivier Butterworth-Heinemann. 2004 г. - 523 с.

7. Международная Конвенция по охране человеческой жизни на море 1974 года (СОЛАС-74). (Консолидированный текст, измененный Протоколом 1988 года к ней, с поправками), - СПб.: ЗАО "ЦНИИМФ", 2015 г. - 1088 с.

8. Международные правила предупреждения столкновений судов в море 1972 года с поправками (МППСС-72), - СПб.: ЗАО "ЦНИИМФ", 2010 г. - 128 с.

9. DNV Container Ship Update Information from DNV to container ship industry No. 1 April 2008. Napoli special edition, - DNV, 2008. - 24 c.

УДК 656.61: 681.883. 42

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ДНА В ЗАДАЧАХ НАВИГАЦИИ ПО ПОЛЮ ГЛУБИН

Завьялов В. В., д. т. н., профессор, профессор кафедры технических средств судовождения, ФБОУВПО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: zavyalov@msun.ru Клюева С. Ф., к. т. н., доцент кафедры автоматических и информационных систем, ФБОУ ВПО «Морской государственный

университет имени адмирала Г.И. Невельского»

Лабюк Ф. И. доцент кафедры управления судном, ФБОУ ВПО «Морской государственный университет имени адмирала Г. И.

Невельского»

В статье рассмотрены основные критерии точности создания цифровых моделей рельефа морского дна. Приведены основные погрешности, которые создаются при проведении автоматизированной гидрографической съемки и составлении цифрового поля глубин. В работе показана взаимосвязь масштаба навигационной карты с уровнем погрешностей в определении координат точек на карте. Приведены диапазоны погрешностей отображения и измерения глубин. С учетом новых международных стандартов на гидрографические работы возможная точность значения радиальной средней квадратической погрешности определения места судна, опознанного по отдельной глубине позволит создать системы навигации по полю глубин с достаточно высокой точностью.

Ключевые слова: поле глубин, морское дно, цифровая модель, навигационные карты, погрешности измерения

ANALYSIS OF ACCURACY OF CONSTRUCTION AND USE OF DIGITAL MODELS OF SEA BOTTOM IN THE NAVIGATION PROBLEM BY FIELD OF DEPTHS

Zavyalov V., doctor of technical Sciences, professor, professor of the Navigation Technological tools chair, FSEIHPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: zavyalov@msun.ru Klyueva S., Ph.D., assistant professor of the Automatic and Information Systems chair, FSEI HPE «Maritime State University named after

admiral G.I.Nevelskoi»

Labyuk F., assistant professor of the Ship handling chair, FSEI HPE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi»

The article deals with basic criteria of accuracy to create digital elevation models of the seabed. The article presents the basic errors that are generated during the automated hydrographic surveying and digital databases of the depths. The paper shows relationship of scale navigation map errors of coordinates ofpoints and depths of the seabed on this map. This article describes the range of measurement errors of depths seabed. Given the new international standards for hydrographic work, perhaps more accurately calculate the value of the radial mean square error in determining the position of the vessel and to create a navigation system via of depths seabed with high accuracy.

Keywords: depth of field, sea bottom, digital model, navigational charts, measurement error

Введение

При использовании современных морских навигационных карт, для навигации в прибрежном плавании или районах с отмелями и подводными препятствиями, судоводитель получает достаточно полную информацию. В открытом море и океане большие глубины и масштаб карты не позволяют пользоваться материалами подробных промеров.

Высокая надежность морских карт достигается путем использования спутниковых, радио и гидроакустических технических средств при сборе гидрографических данных, а также при автоматизированной обработке этих данных и качественным нанесением их на карту.

При проведении автоматизированной гидрографической съемки образуются погрешности, которые следует учитывать при составлении цифрового поля глубин, табл. 1, [1 - 7].

Погрешности измерения поля глубин

Степень доверия к карте характеризуется, в первую очередь, формой представления рельефа морского дна. Фактически измеренные глубины, нанесенные на карту в виде цифр одного размера и

при любом масштабе, при минимуме информации для судоводителя занимают максимум места. Например, на путевой карте масштаба 1:50 000 на широте 43^ двузначная цифра глубины занимает 8577 кв.м.

При резком перепаде рельефа дна на этой площади может разместиться не одна глубина, отличная от измеренной. Для изображения формы рельефа дна по данным систематического промера наносятся изобаты. По ним можно проследить плавное изменение глубины, но для изображения резких перепадов рельефа они не пригодны.

Как систематические, так и непрерывные промеры и регистрация глубин с применением эхолотов, выполняются галсами с различными междугалсовыми расстояниями. И даже уменьшение этого расстояния не исключит возможности пропуска подробностей сложного рельефа при больших перепадах глубин. Абсолютно полную информацию о рельефе морского дна можно получить только при выполнении сплошной съемки с использованием многолучевых промерных эхолотов и создании цифровой базы поля глубин.

При рассмотрении погрешностей, которые возникают при создании базы поля глубин, следует учитывать искажения, передающие

Таблица 1. Погрешности измерения поля глубин

№ n/n Вид погрешности Источник возникновения погрешности

1 Достоверности измерения глубин Промахи в измерениях, связанные с ошибочным снятием результатов измерений

2 Правильности измерения глубин Пренебрежение поправками и остаточной погрешностью

3 Точности измерения глубин СКП обсервации при привязке глубины к координатам на карте

4 Полноты обследования района съемки Возможные пропуски глубин в междугалсовых расстояниях

точность геометрического подобия картографического изображения своему объекту-аналогу в натуре. И чем мельче масштаб карты, тем больше погрешность.

Навигационные морские карты на воды, находящиеся под юрисдикцией Российской Федерации, и на открытые воды Мирового океана вне иностранной юрисдикции создаются в единой государственной геоцентрической системе координат «Параметры Земли 1990 года» (ПЗ-90). Навигационные морские карты на иностранные воды создаются в системах геодезических координат, принятых на иностранных исходных картографических материалах. Специальные карты для ВМФ, морские вспомогательные и справочные карты создаются в единой государственной геодезической системе координат 1995 г. (СК-95).

На морских картах масштабов крупнее 1: 2000000 приводится название системы геодезических координат карты. На навигационных морских картах масштабов 1: 500000 и крупнее указываются поправки для перехода от Всемирной геодезической системы координат WGS-84 к системе геодезических координат данной карты, если линейные значения поправок на картах превышают 0,3 мм. Если же эти значения поправок не превышают 0,3 мм - на карте помещается надпись: «Для перехода от любой геоцентрической системы координат к системе координат данной карты введения поправок не требуется».

Получая координаты судна при помощи СНС «Navstar GPS» и нанося их на карту, на которой не указана система координат, судоводитель получает не место судна, а произвольную точку на карте. Другими словами, координаты, полученные по СНС «Navstar GPS», напрямую не связаны с картой, так как приёмоиндикаторы дают координаты в геодезической системе WGS-84 и поэтому должны исправляться поправкой. В случае пренебрежения исправлением координат погрешность в определении места судна может достигать нескольких сот метров.

Для повышения точности определения координат при проведении гидрографических съемок используется дифференциальный вариант GPS (DGPS). Он стал также доступен и многим судоводителям. В результате этого определение места судна стало более точным, чем расположение глубин на карте при съемке, выполненной более 20 лет назад. Получается, что точность определения координат судна при использовании DGPS - 10 метров, а координат глубин - в лучшем случае 2 мм на поверхности карты, в зависимости от времени проведения промеров и видов обсервации. Значительно ниже точность океанского или маршрутного промера.

До 2000 года действовал стандарт точности определения координат - 13 метров для большинства съемок и 5 метров для съемок специального назначения (вероятность P = 0,95 в обоих случаях).

Глубины на картах в различных диапазонах глубин показываются в метрах с точностью, как показано в табл. 2, [6].

Инструментальная СКП измерения глубин отечественных эхолотов составляет не более величин, указанных в табл. 3, [2 - 7]:

В районах резких изменений рельефа и значительных колебаний уровня моря погрешности глубины наибольшие.

Новым изданием стандарта международной гидрографической организации МГО S-44 1998 г. требования для отдельных категорий района съемки рельефа дна в части точности определений места глубин ужесточены. Точность координат с вероятностью P = 0,95

должна быть не хуже:

- гавани, фарватеры - 2 метра;

- подходы к гаваням, прибрежные районы с глубинами до 100 м - 5 метров + 5 % глубины;

- районы с глубинами до 200 м - 20 метров + 5 % глубины;

- морские районы с большими глубинами - 150 метров + 5 % глубины.

Для составления навигационных карт при нанесении глубин зачастую используются старые, менее точные материалы. Если первичные материалы привязаны к разным системам координат, то для того, чтобы сделать их сопоставимыми, необходимо рассчитать и ввести поправки к координатам. Цель этого действия - получение точности 0,3 мм в масштабе карты - предельной точности масштаба, но в зависимости от имеющейся информации, это не всегда удается.

Если координаты объектов, важных для судовождения, точно известны, то их можно нанести на карту с точностью до 0,3 мм. Соответственно поменяется и точность в зависимости от масштаба карты:

- 0,3 мм в масштабе 1 : 10 000 - 3 м;

- 0,3 мм в масштабе 1 : 50 000 - 15 м;

- 0,3 мм в масштабе 1 : 150 000 - 45 м.

Это положение изменится по мере получения картографических данных в цифровом виде, но пока большинство произведенных в цифровой форме картографических данных получены с существующих бумажных карт, эти ограничения останутся. Более того, точка на экране устройства отображения компьютера - примерно квадрат со стороной 0,2 мм, т. е. примерно эквивалентна точности, достижимой на бумажной карте.

Таким образом, если использовать составленную цифровую модель рельефа дна (ЦМР) определенного района, привязанную к исправленным и приведенным к системе WGS-84 координатам, по

данным которой вычислять координаты места судна *-Твыч выч/ и сопоставить их с координатами, полученными от СНС «Navstar GPS», принятыми за эталон, то получим некоторое расхождение в

координатах. Итогом расхождения будут погрешности (Лф' широте и долготе, а точность координат от ПИ СНС «Navstar GPS» не будет выше точности координат, вычисленных по данным ЦМР. В

результате, все погрешности составления ЦМР войдут в (Лф' из чего следует, что с какими погрешностями по широте и долготе Лф и будет составлена цифровая модель рельефа, с такой точностью

и будут получены вычисленные координаты (ф™' ).

В соответствии с новым международным стандартом на гидрографические работы, абсолютная погрешность в измерении глубины на подходах к портам не должна превышать 10 см, а в плановой «привязке» допустима от 25 до 100 см, [8]. Тогда используя базу данных глубин, в которой выполнены эти требования можно определить значение радиальной средней квадратической погрешности (СКП) определения места, опознанного по отдельной глубине, по формуле [1, 4]

Таблица 2. Диапазоны глубин

0-20 метров 20-50 метров 50-2000 метров 2000-5000 м 5000 м. и более

До 0,2 метра До 0,5 метра До 1,0 метра До 5,0 метра До 10 метров

Таблица 3. Инструментальная СКП

Пределы измерения глубин (метры) 0-5 5-20 20-50 50 - 400 400- 1000 1000-2500 2500 - 10000

СКП макс/сред, (метры) 0,2/0,13 0,2/0,16 0,6/0,3 4,4/2,36 10/6,6 25/12,3 50/23,1

*1174. *1228 *1367. *682. / *772. ¡570/ / *S99.

w "1464. f "1223. / 670 *7S2. *74S.

44 48.4 520 •719. *364. S26. *600. *692.

44 41. '1371. *1449. *175. *104' <572. 129. >• «763.

44 33.6 139 11.9 139 25.1 139 38.3

Рис. 1. Глубины района Японского моря

M =J — (ml, + тг2ло

)+Ml

g m

где гл - градиент глубины; гл

СКП измерения глубин до 100 м при определении места по рельефу дна (0,5 % от глубины);

m

гло - СКП измеренных и исправленных поправками глубин при

промере (0,5 % от глубины); M° - радиальная СКП определения места при промере (1,5 мм в масштабе карты).

M = м— 34

Рассчитанное по формуле (1) значение СКП равно 1

Таким образом, с помощью батиметрической системы навигации можно определить место судна с погрешностью не хуже 10 м - 100 м при наличии высокоточной электронной базы данных глубин, т. е. полученное место судна будет соответствовать требованиям резолюции ИМО А.935, предъявляемым к точности определения места судна.

Результаты расчетов

Эксперименты по определению координат местоположения судна с использованием разработанного алгоритма проводились в процессе перехода судна в районе Японского моря. Разработанный программный комплекс [1] позволяет отображать графически всю необходимую информацию в процессе движения судна в заданном районе плавания. Для выбранного района глубин графическое отображение информации представлено на рис. 1.

В качестве эталонных координат использованы данные полученные при помощи судового навигационного GPS приёмника SPR-1400. С учетом масштаба карты 1 : 500 000 точность нанесения глубинна карте до 150 м. В результате вычислений получены погрешности, по широте 234 м. По долготе 227 м.

Выводы

В работе приведены основные требования к точности создания цифровой модели поля глубин. Дан анализ погрешностей определения координат местоположения судна по полю глубин в зависимости от погрешностей исходной цифровой базы глубин и точности навигационных карт. Приведены результаты эксперимента.

Литература:

1. Клюева С. Ф, Завьялов В. В. Синтез алгоритмов батиметрических систем навигации [Текст]: монография / С. Ф. Клюева, В. В. Завьялов // Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2013. - 132 с.

2. Рубинштейн Д. Н. Современная навигация // Вест. Морского гос. ун-та. - Вып. 9. Сер. «Судовождение». - Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2005. - С. 31-41.

3. Рубинштейн Д. Н. Новые международные требования к точности плавания в различных условиях // Вест. Морского гос. ун-та. - Вып. 9. Сер. «Судовождение». - Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2005. - С. 31-41.

4. Рубинштейн Д. Н. Точность глубин на морских картах // Морской транспорт. Сер. «Судовождение, связь и безопасность мореплавания: Экспресс-информация». - М. : Мортехинформреклама, 2000. - Вып. 7 (374). - С. 23-28.

5. Попов Б. Г. Плановое обеспечение навигационных морских карт // Записки по гидрографии. - 2007. - № 268. - С. 36-45.

6. Нестеров Н. А. О допустимой величине погрешности местоположения глубины при выполнении детальной съёмки // Навигация и гидрография. - 2013. - № 35 - С. 53-57.

7. Правила гидрографической службы № 4. Съемка рельефа дна. Требования и методы. Л.: Изд. ГУНиО МО, 1984. - 264 с.

8. Комарицын А. А. Навигационно-гидрографическое и гидрометеорологическое обеспечение морской деятельности на современном этапе [Электронный ресурс] / А. А. Комарицын. - Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации. - 2004. - № 2 (32) - Режим доступа: http://www.rit.informost.ru/rit/2-2004/28.pdf.