Perspektywy rozwoju nawigacji morskiej, z uwzględnieniem problemu certyfikacji serwisu morskiego GNSS Kmdr dr hab. inż. Cezary SPECHT, prof. AMW

Główne kierunki rozwoju współczesnej nawigacji morskiej (dziś) Satelitarne systemy pozycjonowania Zintegrowane systemy nawigacyjne (Radar, ECDIS) Systemy sterowania ruchem statku (VTS) Systemy łączności i ratownictwa

Identyfikacja obszarów tematycznych projektu „Przyszłość technik satelitarnych w Polsce” Panel „NAWIGACJA, OBSERWACJA I ŁĄCZNOŚĆ SATELITARNA” Serwis pozycyjny GPS, Glonass, Galileo (2011 ?) DGPS, DGLONASS, EUROFIX, EGNOS, WAAS (opocjonalnie GPS/RTK) Satelitarne systemy pozycjonowania Zintegrowane systemy nawigacyjne (Radar, ECDIS) Serwis ostrzeżeń nawigacyjnych INMARSAT Serwis bezpieczeństwa życia Cospas-Sarsat Systemy łączności i ratownictwa Serwis radiokomunikacyjny INMARSAT GPS, Galileo (2011 ?) DGPS, EGNOS, WAAS (opocjonalnie GPS/RTK) Serwis nadzoru ruchu Systemy sterowania ruchem statku (VTS)

Prognoza zmian nawigacji morskiej na przestrzeni najbliższych 20 lat (jutro) Spodziewane zmiany w nawigacji morskiej: Wzrost prędkości jednostek (HSC) oraz wielkości jednostek (VLCC) wymusi nowe procedury i systemy zabezpieczenia nawigacji (AToN) oraz jej bezpieczeństwa, Nastąpi wzrost natężenia ruchu morskiego skutkujący koniecznością międzynarodowej współpracy w zakresie monitorowania i nadzoru, Integracja systemów nawigacyjnych oraz rezygnacja z map papierowych (ECDIS), Zmiany infrastruktury strefy przybrzeżnej (inwestycje hydrotechniczne), Liberalizacja dostępu do dostarczania serwisów nawigacyjnych wraz z ich certyfikacją.

Przyszłość = e - Navigation Transmisja, zarządzanie oraz przedstawianie informacji nawigacyjnej za pomocą formatów elektronicznych dla nawigacyjnego wsparcia operacji „port-to-port” Cel minimalizacja błędów ludzkich skutkujących katastrofami, kolizjami i awariami, ochrona życia ludzkiego, środowiska naturalnego i zasobów morza, podniesienie bezpieczeństwa (osobistego i systemów), redukcja kosztów transportu i utrzymania infrastruktury, zapewnienie zysków armatorom. Metody: elektroniczne mapy nawigacyjne pozycjonowanie – użycie satelitarnych oraz naziemnych serwisów systemów radionawigacyjnych (back-up systems), systemy nadzoru ruchu, identyfikacji oraz wymiany informacji wraz z transmisją kompleksowych danych dotyczącej jednostki, trasy, parametrów manewrowych, statusu i in. radiokomunikacja w relacji statek-statek oraz statek-brzeg, integracja zobrazowania pomiędzy systemami statkowymi oraz brzegowymi, selekcja informacji z punktu widzenia ważności, możliwości alarmowania w sytuacjach krytycznych. Why do we need e-Navigation? to minimise navigational errors, incidents and accidents to protect people, the maritime environment and resources to improve security to reduce costs for shipping and coastal states to deliver benefits to the commercial shipping industry We have a current window of opportunity ensure that the future is operationally-driven rather than technologically-driven manage the development Dr Sally Basker Radionavigation Strategy Director, Emerging techniques for broadcasting future GNSS services, Trinity House, Tower Hill, London CGSIC September 2005, 91 posiedzenie sekcji ds. bezpieczeństwa żeglugi - NAV (IMO), punkt 15, pp 13 „strategia rozwoju e-navigation”, plan powołania grupy roboczej ds. e-navigation.

Port/operacje portowe/dokowanie GNSS a e-Navigation Faza nawigacji morskiej Technologia Nawigacja (statek) Monitorowanie (brzeg) Port/operacje portowe/dokowanie DGNSS, RTK GNSS Loran-C VTS – GNSS wraz z VHF (AIS) Przybrzeżna Radiobeacon DGNSS SBAS Racons AIS jako AtoN Automatic Identification Systems (AIS) – GNSS wraz z VHF, Radar Oceaniczna GNSS Systemy Identyfikacji i Śledzenia Dalekiego Zasięgu – GNSS wraz z łącznością satelitarną

GNSS a klasyczne systemy oznakowania nawigacyjnego dziś, jutro i pojutrze… wykorzystanie systemów GNSS jest dobrowolne, a klasyczne systemy oznakowania nawigacyjnego umożliwiają zbliżone możliwości (faza przybrzeżna oraz portowa), wzrost możliwości systemów GNSS, rodzajów serwisów nawigacyjnych oraz ich charakterystyk prawdopodobnie spowoduje „odchodzenie” od klasycznych AToN przez obsady statków, skutkiem powyższego wniosku będzie powolna ewolucja systemów kształcenia (STCW) w kierunku eksploatacji urządzeń związanych z e-navigation, Końcowym efektem zmian może okazać się w przyszłości brak możliwości „powrotu” do klasycznych systemów oznakowania nawigacyjnego. (dziś: sekstant, jutro: oznakowanie optyczne [?], pojutrze: Loran C [?])

Definicja: Nawigacja morska to proces bezpiecznego i sprawnego prowadzenia jednostki na morzu pomiędzy dwoma punktami Nawigację morską determinują: Bezpieczeństwo - stan w którym nie istnieje zawodność czasoprzestrzeni oznaczająca stan katastrofy, wypadku, awarii Sprawność – właściwość procesu uwzględniająca jego cechy ekonomiczne, optymalizacyjne i in.

Międzynarodowa Organizacja Morska - IMO …pragnąc przyczynić się do podniesienia bezpieczeństwa życia na morzu przez ustalenie za wspólną zgodą jednolitych zasad i przepisów zmierzających do tego celu… (przedmowa Konwencji SOLAS, 1974) Międzynarodowa Organizacja Morska - IMO „Międzynarodowa Konwencja o Bezpieczeństwie Życia na Morzu, 1974 SOLAS” Konstytucja Bezpieczeństwa Morskiego (przypis. Autora) Część I zawiera Konwencję SOLAS 1974, Protokół 1988, wymagania i certyfikaty, Część II zawiera rezolucję A 993(21): Jednolite światowe wdrożenie zharmonizowanego systemu nadzoru i certyfikacji (HSSC), wykaz certyfikatów i dokumentów, które powinny znajdować się na statku, listę rezolucji uchwalonych na czterech kolejnych Konferencjach Umawiających się Rządów – Sygnatariuszy Konwencji SOLAS 1974 oraz tekst prawidła 12-2 rozdziału II1 SOLAS. Jednolity tekst polski Międzynarodowej konwencji o bezpieczeństwie życia na morzu 1974 wraz z Protokołem 1988, przynależnymi załącznikami zawierający wszystkie poprawki obowiązujące na dzień 1 stycznia 2007, wydawca: Ośrodek ds. IMO przy Polskim Rejestrze Statków – PRS, Gdańsk 2006.

Wymagania dot. wyposażenia statków w urządzenia GNSS Wszystkie statki niezależnie od wielkości powinny posiadać odbiornik GPS lub system radionawigacji naziemnej, lub inne urządzenia pozwalające podczas całej planowanej podróży na automatyczne określanie i uaktualnianie pozycji (SOLAS, Rozdział V, prawidło 19 pkt. 2.1.6.) Wszystkie statki o pojemności brutto 300 i większej, zatrudnione w podróżach międzynarodowych i statki handlowe o pojemności brutto 500 i większej, nizatrududnione w podróżach międzynarodowych oraz statki pasażerskie niezależnie od pojemności powinny być wyposażone w System Automatycznej Identyfikacji (AIS) (SOLAS, Rozdział V, prawidło 19 pkt. 2.4.) Systemy oraz wyposażenie, w tym związane z nimi dodatkowe urządzenia rezerwowe zainstalowane po 1 lipca 2002 r., aby spełniać wymagania funkcjonalne prawidła 19 i 20 powinny spełniać wymagania techniczno-eksploatacyjne nie łagodniejsze niż przyjęte przez IMO (SOLAS, Rozdział V, prawidło 18 pkt. 2.) . Zalecenia w sprawie wymagań techniczno-eksploatacyjnych dla statkowych odbiorników systemów GPS (rez. A.819(19)) wraz ze zmianami wprowadzonymi w rez. MSC. 112(73), Zalecenia w sprawie wymagań techniczno-eksploatacyjnych dla statkowych odbiorników systemów Glonass (rez. MSC.53(66) wraz ze zmianami wprowadzonymi w rez. MSC. 113(73), Zalecenia w sprawie wymagań techniczno-eksploatacyjnych dla statkowych kombinowanych odbiorników systemu GPS/Glonass (rez. MSC.74(69), aneks 1) wraz ze zmianami wprowadzonymi w rez. MSC. 115(73), Zalecenia w sprawie wymagań techniczno-eksploatacyjnych dla statkowych odbiorników morskich radiopław systemów DGPS/DGlonass (rez. MSC. 64(67), aneks 2) wraz ze zmianami wprowadzonymi rez. MSC. 114.(73), Resolution MSC. […](…) Adoption of the Performance Standards for Shipborne Galileo Receivers Equipment {wstyępna wersja standardu przygotowana na 52 sesję podkomitetu ds. bezpieczeństwa żeglugi (NAV) IMO w dn. 24.07.2005}

Certyfikacja serwisów GNSS Minimalne wymagania dla nawigacji morskiej IMO Resolution A.915(22), 29 November 2001 Minimalne wymagania dla nawigacji stanowią minimalne charakterystyki dla serwisów nawigacyjnych

Certyfikacja serwisów GNSS - dostępność Niezawodność: Dostępność [IALA, 1989] - prawdopodobieństwo tego, że znak nawigacyjny, lub system oznakowania nawigacyjnego spełnia stawiane przed nim funkcje w dowolnym momencie czasu przy ustalonych warunkach pracy. Niezawodność [IALA, 1989] – jest to zdolność znaku nawigacyjnego lub systemu oznakowania nawigacyjnego do wypełniania wymaganych funkcji w określonych warunkach przez wyznaczony przedział czasu. Dostępność serwisu GPS [SPS, 1993] - procent czasu w stosunku do zadanego jego interwału, takiego że, wystarczająca liczba satelitów transmituje użyteczne sygnały odległościowe dla dowolnego punktu na lub nad Ziemią. Service availability – given coverage, the percentage of time over a specified time interval that a sufficient number of satellites are transmitting a usable ranging signal within view of any point on or near the Earth. Niezawodność serwisu GPS [SPS, 1993] - procent czasu w stosunku do zadanego jego interwału, takiego, że bieżący błąd horyzontalny wyznaczenia współrzędnych pozycji (dokładność przewidywana) nie przekroczy ustalonej dla niezawodności granicy, w dowolnym punkcie na lub nad Ziemią w strefie działania systemu oraz przy zachowaniu dostępności. Service reliability given coverage and service availability, the percentage of time over a specified time interval that the instantaneous predictable horizontal error is maintained within a specified reliability threshold at any point on or near the Earth Dostępność serwisu GPS [SPS, 2001] - procent czasu w stosunku do interwałów 24-godzinnych taki, że błąd wyznaczenia współrzędnych pozycji (dokładność przewidywana dla p=0.95) jest mniejszy od założonego dla dowolnej lokalizacji w strefie działania systemu. Service availability – defined to be the percentage of time over any 24-hour interval that the predicted 95 % positioning error is less than its threshold for any given point within the service volume. Niezawodność serwisu GPS [SPS, 2001] - procent czasu w stosunku do zadanego jego interwału, podczas którego błąd pomiaru odległości przez użytkownika nie przekracza granicznej wartości w strefie działania systemu i dla wszystkich zdatnych satelitów. Service reliability the percentage of time over a specified time interval that the instantaneous SPS SIS URE is maintained within a specified reliability threshold at any given point within the service volume, for all healthy GPS satellites.

Certyfikacja serwisów GNSS - ciągłość Ciągłość [FRP, 1999] - prawdopodobieństwo, że określone charakterystyki systemu zostaną utrzymane przez czas trwania misji, pod warunkiem, że system był dostępny na jej początku. Continuity - the probability that the specified system performance will be maintained for the duration of a phase of operation, presuming that the system was available at the beginning of that phase of operation. ? Ciągłość [IALA, 2001] – zdolność systemu do wypełnienia określonych parametrów, bez uszkodzeń w zadanym przedziale czasu (niezawodność dla małego przedziału czasu). Continuity is the ability of a system to function within specified performance limits without interruption during a specified period (normally short term reliability). There is no need to include the availability at the beginning of the time period of the operation because if there is no service then the operation will be not commence. FRP (1999) Federal Radionavigation Plan’, U.S. Department of Transportation, ‘(U.S. Department of Defense. IALA (2001) Recomendation R–121, Recommendation on the Performance and Monitoring of DGNSS Services in the Frequency Band 283.5-325 KHz, june.

Model ogólny dostępności, niezawodności i ciągłości systemów nawigacyjnych Stany dostępności (pracy): dane: Dostępność graniczna wartość dostępności .... węzłowe twierdzenie odnowy. ..... ... n-krotna operacja splotu, prawdopodobieństwo całkowite.

Model ogólny dostępności, niezawodności i ciągłości systemów nawigacyjnych graniczna wartość niezawodności: ciągłość ciągłość: graniczna wartość ciągłości:

Model szczegółowy (wykładniczy rozkład czasów zdatności i niezdatności) dystrybuanty czasów zdatności i niezdatności: Dostępność graniczna wartość dostępności Niezawodność: graniczna wartość niezawodności ciągłość: graniczna wartość ciągłości:

2. Dostępność ang.: availability Związek: niezawodności dostępności i ciągłości 1. Niezawodność ang.: reliability 2. Dostępność ang.: availability 3. Ciągłość: ang.: continuity pod warunkiem że:

Przykład: dokładność określenia pozycji

Przykład: strefa działania stacji DGPS Obliczenia w oparciu o: Zwektoryzowaną mapę Bałtyku (100 000 punktów), Baza danych o konduktywności oraz przewodności elektrycznej podłoża, Poziom natężenia sygnału obliczano w oparciu o metodę Milingtona Punktowy pomiar wyznacza pole energetyczne stacji DGPS. Wektoryzowany obszar Port Gdynia Wspólne obszary

Przykład: dostępność transmisji DGPS Poziom zakłóceń atmosferycznych Strefa działania stacji Dostępność transmisji DGPS

Przykład: ciągłość transmisji DGPS

wnioski E-Nawigacja stanowić będzie główny kierunek rozwoju systemów nawigacji morskiej zarówno w Polsce jak i na świecie. Przyszłościowymi technikami satelitarnymi wykorzystywanymi w nawigacji morskiej w Polsce będą: GPS/Galileo/DGPS (LF/MF)/EGNOS/ GPS-RTK w zakresie serwisu pozycyjnego, Cospas – Sarsat w zakresie bezpieczeństwa żeglugi (do czasu uruchomienia Galileo Safety of Live Service) Inmarsat w zakresie radiokomunikacji. Wymagania dot. dopuszczania do użytkowania serwisów nawigacyjnych jak i urządzeń statkowych są ściśle określone, choć w przypadku serwisów czasami brak jest precyzyjnych ustaleń terminologicznych. Administracja morska odpowiada za jakość serwisów oferowanych użytkownikom. Każdy system, ze względu na bezpieczeństwo nawigacji, winien być gruntownie oceniony podczas fazy testów.

Dziękuję za uwagę